Medição da tensão de enrolamento nas tiras de cap ply nas cap-strips
Abstract
A compreensão aprofundada dos processos de fabrico e a sua otimização desempenham um papel crucial na garantia da qualidade dos produtos, contribuindo assim para a sustentabilidade e rentabilidade das empresas. Esta dissertação aborda um projeto realizado na Continental Mabor – Indústria de Pneus S.A, em colaboração com a Universidade do Minho. Este estudo consiste no desenvolvimento de um equipamento capaz de medir a tensão de enrolamento das tiras de cap ply, durante a etapa final de produção. Etapa final que consiste no enrolamento das tiras em diversos rolos, nas máquinas conhecidas como cap-strips. A monotorização e o controlo da tensão visam a garantir que a qualidade dos rolos de cap ply é mantida ao longo de toda a produção. Ambos são fundamentais para evitar desperdícios de material e garantir a eficácia das etapas subsequentes do processo de fabrico de pneus onde são implementadas as tiras. Neste documento são propostas soluções para a medição da tensão de enrolamento e aprimoramento do processo, incluindo a possibilidade do controlo da tensão através de um sistema de travagem. Os resultados obtidos são baseados em experimentação e testes realizados, quer na máquina quer na sala de testagem, para verificar a eficácia dos protótipos desenvolvidos. Este projeto visa modernizar o equipamento, alinhando-o com os padrões da indústria do futuro, que prioriza a automação do processe de fabrico sem comprometer a qualidade, com foco na redução de perdas associadas a enrolamentos inadequados.
Full text
Junho de 2024 José Pedro Costeira Magrinho Medição da tensão de enrolamento nas tiras de cap ply nas cap-strips
Junho de 2024 José Pedro Costeira Magrinho Medição da tensão de enrolamento nas tiras de cap ply nas cap-strips Dissertação de Mestrado Mestrado em Engenharia Mecânica Área de especialização em Manufatura Avançada Trabalho efetuado sob a orientação do: Professor Doutor José Filipe Bizarro Meireles
i DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial CC BY-NC https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
ii AGRADECIMENTOS Gostaria de expressar a minha profunda gratidão a todas as pessoas e instituições que contribuíram para a realização desta tese. Primeiramente, agradeço ao Professor Doutor José Filipe Bizarro Meireles pela sua inestimável ajuda ao longo do desenvolvimento desta dissertação. A sua disponibilidade, paciência e constantes críticas construtivas foram fundamentais para que pudesse entender melhor como devo trabalhar, bem como aplicar e aprimorar os meus conhecimentos. Sem a sua orientação e apoio, este trabalho não teria alcançado o mesmo nível de qualidade e profundidade. Agradeço igualmente aos engenheiros e colaboradores do departamento de manutenção preventiva da Engenharia 3 da Continental Mabor. A todos, o meu reconhecimento. Em especial, ao engenheiro Idálio Gomes, orientador na empresa, cuja orientação e suporte foram cruciais para a implementação e desenvolvimento dos protótipos. Agradeço também ao engenheiro Horácio Cunha pela valiosa ajuda e orientação prestadas durante este processo. Finalmente, expresso a minha gratidão à minha família, cujo constante apoio e motivação foram essenciais para a conclusão desta jornada. O seu suporte incondicional e incentivo nos momentos mais desafiadores foram imprescindíveis.
iii DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho.
iv RESUMO A compreensão aprofundada dos processos de fabrico e a sua otimização desempenham um papel crucial na garantia da qualidade dos produtos, contribuindo assim para a sustentabilidade e rentabilidade das empresas. Esta dissertação aborda um projeto realizado na Continental Mabor – Indústria de Pneus S.A, em colaboração com a Universidade do Minho. Este estudo consiste no desenvolvimento de um equipamento capaz de medir a tensão de enrolamento das tiras de cap ply, durante a etapa final de produção. Etapa final que consiste no enrolamento das tiras em diversos rolos, nas máquinas conhecidas como cap-strips. A monotorização e o controlo da tensão visam a garantir que a qualidade dos rolos de cap ply é mantida ao longo de toda a produção. Ambos são fundamentais para evitar desperdícios de material e garantir a eficácia das etapas subsequentes do processo de fabrico de pneus onde são implementadas as tiras. Neste documento são propostas soluções para a medição da tensão de enrolamento e aprimoramento do processo, incluindo a possibilidade do controlo da tensão através de um sistema de travagem. Os resultados obtidos são baseados em experimentação e testes realizados, quer na máquina quer na sala de testagem, para verificar a eficácia dos protótipos desenvolvidos. Este projeto visa modernizar o equipamento, alinhando-o com os padrões da indústria do futuro, que prioriza a automação do processe de fabrico sem comprometer a qualidade, com foco na redução de perdas associadas a enrolamentos inadequados. PALAVRAS-CHAVE QUALIDADE, ENROLAMENTO DAS TIRAS DE CAP PLY; TENSÃO DE ENROLAMENTO; CAP PLY; CAP-STRIP
v ABSTRACT A thorough understanding of manufacturing processes and their optimization plays a crucial role in ensuring product quality, thereby contributing to the sustainability and profitability of companies. This dissertation addresses a project carried out at Continental Mabor - Indústria de Pneus S.A, in collaboration with the University of Minho. This study involves the development of equipment capable of measuring the winding tension of cap ply strips during the final stage of production. This final stage consists of winding the strips onto various rolls using machines known as cap-strips. Monitoring and controlling the tension aim to ensure that the quality of the cap ply rolls is maintained throughout the production process. Both are essential to avoid material waste and ensure the effectiveness of subsequent stages of the tire manufacturing process where the strips are implemented. This document proposes solutions for measuring winding tension and process improvement, including the possibility of tension control through a braking system. The results obtained are based on experimentation and tests conducted, both on the machine and in the testing room, to verify the effectiveness of the developed prototypes. This project aims to modernize the equipment, aligning it with the standards of the future industry, which prioritizes the automation of the manufacturing process without compromising quality, with a focus on reducing losses associated with inadequate winding. KEYWORDS QUALITY, CAP PLY STRIP WINDING; WINDING TENSION; CAP PLY; CAP-STRIP
vi ÍNDICE Agradecimentos ................................................................................................................................... ii Resumo .............................................................................................................................................. iv Abstract ............................................................................................................................................... v Índice ................................................................................................................................................. vi Índice de Figuras ................................................................................................................................. x Índice de Tabelas .............................................................................................................................. xiv Lista de Símbolos .............................................................................................................................. xv Siglas, abreviaturas e acrónimos ..................................................................................................... xv 1. Introdução ................................................................................................................................ 17 1.1. Contextualização .............................................................................................................. 17 1.2. Objetivos.......................................................................................................................... 17 1.3. Metodologia Utilizada ....................................................................................................... 18 1.4. Empresa de acolhimento.................................................................................................. 20 1.5. Guia de Leitura ................................................................................................................ 20 2. Revisão Bibliográfica ................................................................................................................. 22 2.1. Introdução aos Pneus ...................................................................................................... 22 2.2. Tipos de Pneus ................................................................................................................ 23 2.2.1. Funções do Pneu Radial .......................................................................................... 25 2.2.2. Componentes de um Pneu Radial ............................................................................ 26 2.3. Processo de Fabrico de um Pneu ..................................................................................... 28 2.3.1. Mistura .................................................................................................................... 29 2.3.2. Calandragem ........................................................................................................... 29 2.3.3. Extrusão .................................................................................................................. 30 2.3.3.1. Expansão da matriz após extrusão ............................................................. 32 2.3.3.2. Extrusoras de cabeça de rolo ..................................................................... 32
vii 2.3.4. Corte e produção de talões ...................................................................................... 32 2.3.4.1. Apex .......................................................................................................... 33 2.3.5. Construção do pneu ................................................................................................ 33 2.3.6. Cura ........................................................................................................................ 34 2.3.6.1. Moldagem ................................................................................................. 35 2.3.6.2. Vulcanização.............................................................................................. 35 2.3.7. Inspeção final .......................................................................................................... 36 2.4. Tecidos Têxteis ................................................................................................................ 36 2.4.1. Evolução dos Tecidos Têxteis nos Pneus Pneumáticos ............................................. 38 2.4.2. Processo de Fabrico das Cordas Têxteis ................................................................... 38 2.4.3. Características dos Tecidos Têxteis .......................................................................... 39 2.5. Adesão Corda-Borracha.................................................................................................... 42 2.6. Tiras de Cap Ply ............................................................................................................... 43 2.6.1. Processo de Fabrico das Tiras de Cap Ply ................................................................ 43 2.7. Análise Mecânica para o Sistema de Tensão no Enrolamento Filamentar .......................... 46 2.7.1. Princípios Operacionais ........................................................................................... 46 2.7.2. Controlo de sistema de malha aberta ou fechada ..................................................... 47 2.7.3. Análise mecânica do sistema de tensão de enrolamento .......................................... 47 2.7.4. Análise mecânica do mecanismo de medição de tensão........................................... 48 2.8. Termografia ..................................................................................................................... 50 2.8.1. Impacto da carga térmica na adesão das tiras de cap ply ......................................... 50 2.8.2. Termografia de infravermelhos ................................................................................. 51 2.8.2.1. Câmara de imagem térmica ....................................................................... 51 3. Apresentação do Problema ........................................................................................................ 54 3.1. Apresentação da Empresa ............................................................................................... 54 3.1.1. Continental AG ........................................................................................................ 54 3.1.2. Continental Mabor ................................................................................................... 55 3.1.2.1. Processo produtivo na Continental Mabor ................................................... 56
xiv ÍNDICE DE TABELAS Tabela 2.1 - Componentes de um pneu e as respetivas funções.[5] ......................................... 27 Tabela 2.2 - Ordem das etapas do processo de fabrico de um pneu. ....................................... 28 Tabela 2.3 - Componentes de uma extrusora e a respetiva função. .......................................... 30 Tabela 2.4 - Funções e requisitos das cordas têxteis. [1] ......................................................... 38 Tabela 2.5 - Análise e comparação da capacidade de cada componente têxtil em relação a diferentes parâmetros. [1] ................................................................................................................ 40 Tabela 2.6 - Parâmetros gerais do processo de fabrico de tiras de cap ply que utilizam cordas têxteis de nylon ou híbridas (aramida mais nylon).............................................................................. 45 Tabela 2.7 - Especificações da câmara de imagem térmica, Fluke Ti300+. [3] ......................... 52 Tabela 3.1 - Filiais pertencentes ao grupo Continental AG, em Portugal. .................................. 55 Tabela 3.2 - Descrição geral de o processo produtivo de cada departamento na Continental Mabor. ........................................................................................................................................................ 57 Tabela 3.3 - Descrição do equipamento Handy-Tens LC da empresa BETTEN. ......................... 65 Tabela 3.4 - Descrição do equipamento Handy-Tens LC da empresa BETTEN. ......................... 66 Tabela 3.5 - Descrição do equipamento VNW Series Tension Transducer da empresa DFE. ...... 67 Tabela 3.6 - Descrição do equipamento LT Low Tension Transducer da empresa DFE. ............ 68 Tabela 3.7 - Sequência para as medições. .............................................................................. 76 Tabela 3.8 - Emissividade Superficial Nominal, [4] .................................................................. 79 Tabela 3.9 - Temperatura das tiras de cap ply nas bobines 1, 6, 11 e 16 da Cap-strip 3. ......... 81 Tabela 4.1 - Características do sensor DF9-40 [14]. ................................................................ 90 Tabela 4.2 - Descrição dos componentes utilizados para o protótipo 1. .................................... 97 Tabela 4.3 - Dados técnicos da célula de carga 9301C da KISTLER. ...................................... 106 Tabela 4.4 - Descrição dos componentes utilizados para o protótipo 2. .................................. 109 Tabela 5.1 - Balanço dos objetivos do projeto inicialmente propostos. .................................... 121
xv LISTA DE SÍMBOLOS SIGLAS, ABREVIATURAS E ACRÓNIMOS Apex Máquina aplicadora de cunhas APA Armazém de pneus e outros produtos acabados Cap ply Camada de reforço nos pneus, que aumenta a estabilidade e durabilidade Cap strip Máquina utilizada para produzir tiras de cap ply CAD Conceção assistida por computador Creel Zona da cap-strip onde as cordas têxteis são enroladas em bobinas CT Construção de talões DATP Departamento de apoio técnico à produção DFE Dover Flexo Eletronics KM Karkasse Machine LT Low Tension Transducer PLT Passenger and Light Truck PU Production Unit Nomenclatura 𝜹𝒘𝑴𝒐𝒕𝒐𝒓 𝜹𝒕 Taxa de variação da velocidade angular do motor ao longo do tempo (aceleração angular) [rad/s²] α1 Ângulo do filamento entre o rolo 1 e 2 [°] α2 Ângulo do filamento entre o rolo 2 e 3 [°] D Diâmetro [m] δv δt Taxa de variação da velocidade linear em relação ao tempo [m/s²] F Força de tensão [N] Fo Força constante, que pode ser devido à pré-tensão no sistema, fricção ou outras forças estáticas atuando no sistema. [N] i Relação de transmissão [ ]
xvi J1 Momento de inércia do núcleo [kg⋅m²] J2 Momento de inércia do rolo [kg⋅m²] J3 Momento de inércia da caixa de engrenagem [kg⋅m²] JM Momento de inércia do motor [kg⋅m²] L1 Comprimento do filamento do rolo guia 1 a 2 [m] L2 Comprimento do filamento do rolo guia 2 a 3 [m] Mo Binário de fricção estática [Nm] n Velocidade da rotação do motor [rpm] T1 Tensão do filamento entre o rolo 1 e 2 [N] T2 Tensão do filamento entre o rolo 2 e 3 [N] Tacc Binário dependente da aceleração [Nm] Tp Binário dependente das perdas relativas dos acoplamentos mecânicos [Nm] Tw Binário do motor [Nm] v Velocidade da linha [m/min]
17 1. INTRODUÇÃO 1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO Os pneus, atualmente, são produtos altamente avançados, compostos por diversos componentes, cada um com funções específicas, a fim de garantir um desempenho eficiente e seguro. Pode não ser imediatamente aparente, no entanto, é crucial reconhecer a crescente importância dos pneus LT no contexto do mundo contemporâneo, especialmente à medida que a população continua a expandir-se. A produção de um pneu envolve não apenas compostos de borracha, mas também outros tipos de materiais, como metais ou materiais têxteis híbridos. A utilização desses materiais contribui significativamente para a funcionalidade aprimorada do pneu. Os reforços têxteis utilizados são obtidos por meio da impregnação de tecidos ou cordas com borracha. Esses reforços proporcionam rigidez, estabilidade dimensional e durabilidade sob pressões internas elevadas às quais os pneus são submetidos. Um dos reforços mais comuns é o cap ply. O cap ply consiste em cordas têxteis e borracha, sendo utilizado na fabricação das cintas têxteis. O processo de fabrico do cap ply é, de certa forma, extenso e passa por uma máquina denominada de cap-strip, que está alocada a um posto da fábrica prévio à impregnação das cordas têxteis com a borracha numa extrusora. Após a impregnação, o material é enrolado em bobinas, mantendo-se uma tensão adequada para garantir a integridade do enrolamento e evitar danos à tira. É crucial manter um alto nível de qualidade ao longo de todas as etapas do processo de fabrico do pneu e dos diversos ciclos, a fim de evitar falhas e minimizar desperdícios. Como não é possível reutilizar uma tira danificada, qualquer falha resulta em desperdício de recursos financeiros e temporais. Atualmente, esse processo ainda não está totalmente automatizado, porém a empresa busca evoluir para um ambiente de "indústria do futuro", implementando monitorização e controlo rigorosos ao longo do processo. 1.2. OBJETIVOS O trabalho a ser desenvolvido nesta dissertação tem como principal objetivo medir a tensão de enrolamento das tiras de cap ply a fim de garantir o controlo e a otimização do processo. É de realçar que o foco desta dissertação não passa por determinar ou encontrar um valor ou intervalo de valores de tensão de enrolamento adequados para o processo. Atualmente, na empresa a tira é enrolado de acordo
18 com uma certa velocidade e tensão que a empresa acredita ser correta. No entanto, existem momentos em que essas variáveis se desviam da normalidade, devido à dificuldade em assegurar fiabilidade no processo de fabrico da tira, resultando em anomalias no processo do pneu. Portanto, é suficiente manter a tensão atual e apenas verificar e corrigir eventuais desvios quando ocorrerem, ajustando os valores para o intervalo normal. Assim sendo, os objetivos desta dissertação incluem: • Compreender o funcionamento do fabrico da cap-strip e as diferentes etapas do equipamento, desde a extrusão até ao enrolamento, bem como compreender o processo de fabrico das tiras de cap ply. • Investigar se há falta de atenção em relação a outras variáveis, como temperaturas e outros fatores, que podem não estar a ser considerados. • Avaliar os danos que as falhas nas tiras podem causar nos processos posteriores de fabrico de pneus e as perdas associadas a esses danos para a empresa. • Identificar áreas e métodos para automatizar ainda melhor o processo e desenvolver um método para melhor controlar a tensão durante o enrolamento. • Realizar experiências, como ensaios laboratoriais ou ensaios na máquina, para testar diferentes hipóteses e soluções capazes de medir a tensão de enrolamento e transmitir os dados para um computador, a fim de controlar a tensão caso esta varie ao longo do processo. • Controlo da tensão de enrolamento através do sistema de travagem já implementado na capstrip. Do ponto de vista pessoal é um desafio pois há uma oportunidade de participar ativamente num aspeto importante de uma empresa grande, já muito otimizada do que não poderia ser melhor para um desenvolvimento de conclusão do curso de engenharia mecânica. 1.3. METODOLOGIA UTILIZADA A elaboração desta dissertação seguiu uma sequência de atividades conforme está descrito na Figura 1.3.1.
19 Figura 1.3.1 - Metodologia do trabalho. Estudo introdutório aos pneus e o seu processo de fabrico. Compreensão dos diversos componentes e do equipamento utilizado na produção dos mesmos. Pesquisa sobre os materiais têxteis utilizados, bem como sobre as tiras de cap ply, visando compreender o processo de fabricação dessas tiras e suas características. Análise das possíveis causas de falhas no equipamento que resultam em um enrolamento incorreto das tiras nas bobines da cap-strip. Geração de ideias e aplicação do brainstorming para identificar um caminho a seguir e determinar quais causas devem ser abordadas. Estudo do mercado atual de equipamentos de medição de tensão de enrolamento de tiras, filmes ou papéis, de forma a gerar ideias para um novo protótipo. Modelação de uma das bobines, juntamente com todos os componentes envolventes, proporcionando uma visualização mais clara, permitindo assim identificar as áreas de intervenção mais adequadas. Estudo da tensão de enrolamento e análise dos diversos tipos de enroladores, juntamente com as variáveis que requerem maior atenção. Realização de ensaios para investigar outras variáveis que possam afetar o sistema e o enrolamento da tira, como por exemplo a temperatura. Desenvolvimento de protótipos capazes de monitorizar a tensão de enrolamento. Testagem dos protótipos e análise do seu desempenho, bem como dos custos do equipamento, para verificar se atendem aos requisitos estabelecidos. Concepção de melhorias nos protótipos com base nos resultados obtidos.
20 1.4. EMPRESA DE ACOLHIMENTO O trabalho foi desenvolvido em ambiente industrial, na empresa Continental Mabor –Indústria de Pneus S.A., situada em Lousado, Famalicão, através de um estágio curricular realizado durante seis meses, sob a orientação tutorial do Engenheiro Idálio Gomes 1.5. GUIA DE LEITURA Esta dissertação encontra-se dividida em sete capítulos. O Capítulo 1 introduz o contexto e a relevância do trabalho, destacando o tema da dissertação. Além disso, são delineados os objetivos e a estrutura do trabalho, fornecendo uma visão geral do que será abordado nos capítulos subsequentes. O segundo capítulo apresenta uma revisão bibliográfica abrangente, abordando uma variedade de tópicos relevantes ao projeto. Inicia-se com uma introdução aos pneus, destacando a sua importância. Em seguida, são explorados os principais componentes dos pneus, com ênfase nas tiras de cap ply, incluindo uma descrição detalhada da sua função . O capítulo também discute o processo de fabrico dos pneus e das tiras de cap ply, fornecendo uma visão geral das etapas envolvidas e dos diversos desafios enfrentados durante o processo. Ademais, é abordado os princípios mecânicos presentes de um sistema de tensão no enrolamento filamentar e discute-se uma abordagem ao impacto da carga térmica no enrolamento da tira. E por fim, é detalhado um estudo termográfico com o objetivo de verificar se a temperatura da tira ao longo do processo varia e se essa variação pode ter algum efeito na qualidade da aderência da tira e no seu enrolamento. O estudo envolve a utilização de um equipamento especial e próprio para medir e analisar as variações de temperatura ao longo das diferentes etapas do processo de fabricação das tiras de cap ply. No terceiro capítulo apresenta-se o caso de estudo. É realizada uma análise minuciosa das causas do problema identificado, investigando os possíveis fatores que contribuem para o incorreto enrolamento das tiras de cap ply. Além disso, são apresentadas as orientações e os objetivos do trabalho prático, delineando as ações a serem tomadas para abordar as questões identificadas. Por fim, o capítulo oferece uma visão detalhada da empresa hospedeira, fornecendo informações adicionais sobre a sua estrutura, operações e contexto relevante ao estudo em questão. Neste capítulo, também é abordado detalhadamente o estudo das tensões de enrolamento, começando por uma revisão dos estudos realizados por outros autores que serviram como base para uma compreensão mais aprofundada e para o desenvolvimento futuro de um possível protótipo. São também apresentados os resultados do ensaio termográfico mencionado no capítulo anterior.
21 O quarto capítulo detalha o desenvolvimento dos protótipos concebidos. Ademais, são discutidas as características e funcionalidades dos protótipos desenvolvidos, destacando como cada um deles aborda os requisitos e objetivos estabelecidos. Por fim, são apresentadas as conclusões sobre os protótipos desenvolvidos, fornecendo uma avaliação geral da sua eficácia e identificando possíveis melhorias ou áreas para desenvolvimento futuro. O Capítulo 5 apresenta as conclusões decorrentes de todo o trabalho realizado ao longo do estudo.
22 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1. INTRODUÇÃO AOS PNEUS Os pneus pneumáticos surgiram no Reino Unido no século XIX, como um upgrade aos pneus de borracha maciços, com o objetivo de equipar bicicletas. O primeiro pneu pneumático foi inventado pelo senhor John Boyd Dunlop , sendo o seu objetivo equipar rodas de bicicletas. A patente deste pneu foi registada em 1888. Em 1895, André Michelin optou por experimentar a utilização destes pneus em automóveis, sendo a primeira pessoa a realizar tal feito. Contudo, o pneu pneumático não mostrou grandes resultados, sendo que apresentou falta de durabilidade e rentabilidade. Através de Philip Strauss , em 1911, surgiu a combinação do pneu com uma câmara de ar, e, com isto, disponibilizou-se a utilização dos pneus em automóveis. Ademais, estes pneus apresentaram um bom desempenho. Mais tarde, com a evolução da tecnologia surgiu a opção de eliminar a utilização da câmara de ar, sendo este conceito patenteado por Litchfield da empresa Goodyear Tire Company . [1] Geometricamente, o pneu para automóveis pode ser considerado um toro. Mais especificamente, uma superfície de revolução gerada pela rotação de um círculo no espaço tridimensional, sobre um eixo coplanar com o círculo. Mecanicamente, o pneu é um vaso de pressão de membrana e estruturalmente é um material compósito de alta performance. O pneu é uma estrutura de borracha reforçada com cordas (têxteis e metálicas) com propriedades viscoelásticas, sendo este sujeito a uma deformação contínua durante o seu ciclo de vida, e tem de cumprir uma lista fundamental de funções, tal com: • Fornecer capacidade de carga; • Fornecer amortecimento ao veículo; • Transmitir o momento de aceleração e de travagem; • Fornecer força para curvar; • Garantir estabilidade dimensional; • Resistência à abrasão; • Gerar resposta à direção;
23 • Ter baixa resistência ao rolamento; • Provocar baixos valores de ruído e vibração; • Ser durável durante a vida útil projetada. 2.2. TIPOS DE PNEUS Existem três tipos de pneus: o pneu diagonal, pneu radial e pneu diagonal com cintas metálicas. Cada categoria de pneu apresenta as suas próprias vantagens em situações específicas. Um tipo de pneu é especialmente indicado para situações que requerem baixas velocidades e envolvem terrenos offroad , como em aplicações agrícolas. Por outro lado, o outro tipo de pneu pode ser mais adequado para velocidades moderadas ou elevadas em veículos ligeiros de uso rodoviário. Os pneus diagonais, Figura 2.2.1, são utilizados em camiões, reboques e utensílios de agricultura ( Agrotyres ). Cordas das telas têxteis estendidas de talão a talão com um ângulo inferior a 90º com a linha central do piso. São de simples construção e fácil fabrico. Contudo, a deformação do pneu vai forçar a ocorrência de esforços de corte entre as telas têxteis, o qual irá resultar na geração de calor. O movimento do piso também resulta numa baixa resistência ao desgaste. Figura 2.2.1 - Pneu de construção diagonal Tradução da figura: ( Breaker – Cintas metálicas; Tread – Piso; Cord Body – Telas; Chafer – Talão; Sidewall – Parede lateral; Liner – Forro). [2] Pneus diagonais com cintas metálicas ( belts ou breaker plies ), ver Figura 2.2.2, utilizam as cintas metálicas como recurso para restringir a expansão da carcaça do pneu em relação à direção
30 Figura 2.3.1 - Ilustração da etapa de calandragem. [6] 2.3.3. EXTRUSÃO Neste processo o composto de borracha é exposto a tensões de compressão e cisalhamento entre o parafuso e o cilindro da extrusora e é empurrado através da matriz para o espaço aberto. Este é um dos métodos de processamento de compostos de borracho mais eficaz na indústria. A Tabela 2.3 menciona cada componente pertencente a uma extrusora e a respetiva função e, na Figura 2.3.3 está ilustrado o processo de extrusão da borracha. Um modelo típico de uma extrusora encontra-se na Figura 2.3.2. Tabela 2.3 - Componentes de uma extrusora e a respetiva função. Componente Descrição Tremonha ( Hooper ) É uma calha onde folhas ou tiras são alimentadas para a extrusora. Rolo de pressão Ajuda o composto a obter aderência no parafuso para que este seja puxado para dentro da extrusora. Parafuso É o elemento-chave de uma extrusora. Ao longo do seu comprimento, divide-se em diferentes zonas com diferentes funções (Zona de alimentação, compressão e de encontro). Zona de alimentação Onde o material é puxado para dentro da extrusora. Zona de compressão Onde o composto é comprimido e plastificado. Zona de encontro Onde a temperatura necessária é alcançada e o material é homogeneizado.
31 Tabela 2.3 - Componentes de uma extrusora e a respetiva função. (Continuação) Componente Descrição Cabeçote de extrusão Tem a função de conectar as diferentes extrusoras a uma só máquina. Por vezes, devido às especificações do pneu, é necessário recorrer a mais que uma extrusora (cada um com “fins” diferentes). Canais de fluxo “Guia” a borracha das diferentes extrusoras para as posições requisitadas/especificadas. Acionamento O motor de uma extrusora é conectado a uma caixa de engrenagens que reduz a velocidade de rotação e aumenta o binário. Figura 2.3.2 - Exemplo de uma extrusora utilizada na indústria de produção de pneus. Figura 2.3.3 - Ilustração do processo de extrusão.[6]
32 2.3.3.1. EXPANSÃO DA MATRIZ APÓS EXTRUSÃO No processo de extrusão ocorre um fenômeno, designado por expansão da matriz onde, após o extrudado sair da cabeçote da extrusora entra em contacto com uma pressão e temperatura ambiente, este expande. Deste modo, o perfil da matriz deve ser menor que o perfil do material extrudado. A expansão do perfil extrudado pode ser influenciado pelos seguintes fatores: • Temperatura de extrusão: Quanto menor for, maior será o aumento do volume do perfil; • Processabilidade do composto de borracha: Quanto menor for o amassamento, maior é a expansão; • Formulação do composto de borracha: Maior teor de borracha implica um maior inchamento; • Corte da matriz: Corte mais nítido leva a um aumento do volume do perfil. 2.3.3.2. EXTRUSORAS DE CABEÇA DE ROLO A extrusora de cabeça de rolo é utilizada para produzir folhas/tiras de borracha sem reforços. Este equipamento consiste em um moinho de dois rolos diretamente conectados à extrusora, substituindo a matriz utilizada nas restantes extrusoras. Deste modo, consegue-se produzir-se perfis largos, finos e de boa qualidade. 2.3.4. CORTE E PRODUÇÃO DE TALÕES Antes de serem remontados numa tira contínua, o material deve ser cortado. Este processo é feito mecanicamente para garantir a largura e os ângulos exatos. Para tal, utilizam-se cortadores de cabo de aço para preparar o material de talões ou das telas de cabo de aço para pneus de camião e utiliza-se cortadores têxteis para fornecer a lona têxtil ( textile body ply ) para pneus de carros de ligeiros. O corte é efetuado através de facas circulares ou guilhotinas. Os dispositivos de corte são ajustáveis para cortar ângulos e larguras especificados. Assim que o material é cortado, as peças são unidas, manualmente ou automaticamente, para formar uma faixa "sem fim" de material que é enrolada entre os revestimentos em cassetes. O enrolamento de talões é utilizado para criar anéis de fios de aço impregnados com borracha. Após a montagem do pneu no aro, os talões ficam localizados dentro do aro.
33 A produção de talões requer um arame de aço de alta resistência com a superfície revestida de latão ou bronze. Os fios (número de fios é especificado previamente) são desenrolados e conduzidos perpendicularmente através da extrusora onde serão revestidos com borracha. 2.3.4.1. APEX Cada talão receberá um perfil Apex . Este é um perfil extrudado que é colocado circunferencial mente no talão. Os talões são carregados em um tambor e, em seguida, por meio de uma rotação do tambor são aplicados os perfis. 2.3.5. CONSTRUÇÃO DO PNEU Esta etapa de produção é a de maior exigência na manufatura de pneus, sendo que o processo de construção tem um impacto significativo na qualidade do produto final. Os fatores chaves na construção do pneu em “verde” são: • O equipamento: Máquinas com bom funcionamento e bem ajustadas são vitais para a produção de pneus de alta qualidade. • O operador: Aumenta a qualidade dos pneus aplicando outras etapas de construção e verificações. • A qualidade dos componentes: Os parâmetros de qualidade e tamanho dos componentes fornecidos pelos equipamentos anteriores desempenham um papel crucial na qualidade final dos pneus. • O ambiente e métodos: O ambiente de trabalho, principalmente o layout, formação técnica, procedimentos de trabalho, processo tecnológico, especificações e a sua disponibilidade no local de trabalho são elementos importantes para alcançar uma produção de alta qualidade. Geralmente, os pneus são produzidos enrolando tiras de borracha em um tambor cilíndrico. Na Continental, o padrão é utilizar um processo de construção que consiste em duas etapas na produção de pneus radiais para automóveis de passageiros, bem como na produção de pneus para camiões e veículo comerciais. Relativamente aos pneus de veículos de passageiros, utilizam-se duas máquinas de construção para a montagem do pneu em “verde”, a KM (Karkasse Machine) e a PU (Production Unit). A KM produz a carcaça e a PU molda a carcaça e enrola e coloca as cintas, as tiras de cap ply e o piso na carcaça. Durante este processo as paredes laterais são anexadas e o pneu verde é costurado e pode
34 ser removido da máquina de construção de pneus. A Figura 2.3.4 demonstra um processo semelhar ao utilizar na construção de pneus na Continental Mabor. Figura 2.3.4 - Representação da etapa de construção de um pneu.[6] 2.3.6. CURA Assim que o pneu é construído, ele passa para o processo de cura, onde lhe será atribuído a sua forma final e propriedades mecânicas desejadas para o seu funcionamento. A cura do pneu consiste em dois processos, a moldação e a vulcanização, que são efetuados simultaneamente num equipamento designado por prensa de vulcanização. Existem dois tipos de prensas, a hidráulica e a mecânica, e ambas expõem o pneu a altas temperaturas e pressão por um período de tempo definido. O departamento de vulcanização de uma fábrica de pneus é geralmente parecido ao setup apresentado na Figura 2.3.5. Figura 2.3.5 - Prensas de vulcanização.
35 2.3.6.1. MOLDAGEM Depende da pressão e ocorre no início do processo de cura. O pneu verde é colocado no molde, onde é aquecido e submetido a pressão. A combinação de pressão e temperatura força o composto de borracha a se adequar ao formato da superfície interna do molde. Os moldes são gravados com o padrão do piso e as marcações das paredes laterais. [7] 2.3.6.2. VULCANIZAÇÃO É uma reação químico-física que provoca mudanças estruturais moleculares no composto de borracha. Macromoléculas de borracha pura ( raw ) são unidas com um agente vulcanizante e produzem ligações cruzadas, convertendo a borracha anteriormente plástica em uma borracha principalmente elástica. A Figura 2.3.6 demonstra, de maneira simplificada, o processo de vulcanização. Após a vulcanização a borracha elástica possuí as propriedades mecânicas necessárias e essenciais para a vida útil do produto, tais como: • Elasticidade; • Alongamento; • Dureza; • Resistência ao desgaste; • Resistência a químicos. Figura 2.3.6 - Ilustração do processo de vulcanização. [6]
36 2.3.7. INSPEÇÃO FINAL Após a cura dos pneus vulcanizados, eles são encaminhados para a área de acabamento final para serem efetuadas verificações finais de qualidade. Cada pneu é inspecionado manualmente e a rebarba (borracha) é removida aparando os pneus. As possíveis descobertas são marcadas com giz para decisões posteriores sobre retrabalho ou sucateamento do pneu em questão. Estas descobertas podem ter impacto na aparência do pneu ou no seu desempenho. 2.4. TECIDOS TÊXTEIS Devido às suas características de deformação, os pneus pneumáticos conseguem fornecer mobilidade a um veículo em diversos tipos de terreno, como também em diferentes situações climáticas/ambientais (i.e., chuva ou neve). Logo, é necessário que o pneu esteja equipado com os materiais necessários e adequados para que tenha o melhor desempenho possível. O material têxtil utilizado na carcaça e nas cintas de reforço fornecem ao pneu pneumática uma grande parte da sua rigidez. Em 1993, as fibras têxteis utilizadas na América do Norte seriam, aproximadamente, 55% poliéster, 43% nylon e 2% rayon. Enquanto no resto do mundo as fibras consistiam em 57% nylon, 24% poliéster e 19% rayon. Atualmente, os pneus PLT são maioritariamente radiais, onde a sua carcaça é produzida com fibras têxteis de poliéster, substituindo a utilização de nylon e rayon nesta mesma aplicação. Ao explorar a composição de um pneu, a Figura 2.4.1 destaca a distribuição ponderada de materiais no processo de fabrico para veículos ligeiros. No entanto, quando nos voltamos para veículos pesados, é possível encontrar as informações correspondentes na Figura 2.4.2, e verificar que esse não constitui qualquer percentagem têxtil. Essa análise detalhada permite uma compreensão do papel dos tecidos têxteis na constituição global desses componentes essenciais.
37 Figura 2.4.1 - A percentagem, em peso, de cada material no fabrico de um pneu ligeiro. [5] Figura 2.4.2 - - A percentagem, em peso, de cada material no fabrico de um pneu ligeiro. [5] Borracha natural/sintética 47% Negro de fumo 21% Aço 16% Têxtil 6% Óxido de zico 1% Aditivos 8% Enxofre 1% Borracha natural/sintética Negro de fumo Aço Têxtil Óxido de zico Aditivos Enxofre Borracha natural/sintética 45% Negro de fumo 22% Aço 25% Óxido de zico 2% Aditivos 5% Enxofre 1% Borracha natural/sintética Negro de fumo Aço Têxtil Óxido de zico Aditivos Enxofre
38 2.4.1. EVOLUÇÃO DOS TECIDOS TÊXTEIS NOS PNEUS PNEUMÁTICOS Como já foi referido no capítulo 2.1, nos anos de 1880, foram introduzidos os primeiros pneus pneumáticos para bicicletas através do senhor J.B. Dunlop. Mais tarde, nos 1890s foram introduzidos nos automóveis. Para ambas as aplicações era utilizado um linho irlandês (Irish flax) que, devido ao seu custo elevadíssimo, foi rapidamente substituído pelo algodão. A utilização deste material prolongou-se até ao fim da segunda guerra mundial, sendo que antes do começo desse período, nos anos 1930s, estavam a ser desenvolvidas na França cordas de aço e de rayon. Na década de 40, o nylon tornou-se numa opção para pneus de cargos pesados, tal como em camiões e aviões, enquanto o rayon apresentava um melhor desempenho, em termos de manuseamento e estabilidade dimensional, para veículos ligeiros de passageiros. O poliéster foi introduzido pelo Goodyear nos anos 60 com o propósito de fornecer uma maior rigidez que o rayon e maior estabilidade dimensional que o nylon. Ao longos dos anos, estes tecidos têm sido melhorados através de alterações nos seus processos de fabrico, de modo a conseguirem cumprir com os novos requisitos exigidos pelos clientes. [1] 2.4.2. PROCESSO DE FABRICO DAS CORDAS TÊXTEIS Atualmente, o processo de fabrico das cordas têxteis deve ser o mais detalhado e rigoroso possível para que sejam atingidos os parâmetros exigidos do funcionamento de o pneu, ver Tabela 2.4. O processo de fabrico está então dividido em quatro etapas: 1. Processo de fiação; 2. Processo de torção; 3. Processo de tecelagem; 4. Processo de imersão. Tabela 2.4 - Funções e requisitos das cordas têxteis. [1] Função Requisitos • Manter a durabilidade contra impactos; • Suportar carga inercial e conter o gás inflado; • Fornecer rigidez para aceleração, curvas e travagens; • Relação cumprimento/diâmetro grande, ou seja, filamentos compridos; • Orientação axial elevada; • Flexibilidade lateral (Baixa rigidez à flexão);
39 Tabela 2.4 - Funções e requisitos das cordas têxteis. (Continuação) Função Requisitos • Fornecer estabilidade dimensional para manuseamento, viagem e uniformidade do veículo; • Enrolamento da corda para que os filamentos exerçam força axial em conjunto com os restantes filamentos no conjunto/feixe. O primeiro processo, designado por fiação, consiste na transformação de fibras em fio e pode ser realizado através de cinco métodos distintos. O método húmido, seco, fundido, gel e de dispersão. De seguida, os fios passam para o processo de torção, onde uma aglomeração de fios são torcidos na direção do eixo “Z” e, posteriormente torcidos juntamento na direção “S”, formando uma corda. Esta torção previne possíveis quebras dos filamentos, resistência a danos causados por abrasão, uma resistência à fadiga superior, e uma maior facilidade na operacionalidade do processo de fabrico seguinte. No processo de torção, é necessário ter em conta as características desejadas para a funcionalidade do material, uma vez que o nível de torção está diretamente relacionado com as propriedades mecânicas do material. Segundo o estudo de Aytaç et al , quanto maior forem os níveis de torção, menor será a força de rotura e a rigidez. Por outro lado, maior será a deformação de rotura e a energia de rotura absorvida. Finalizado o processo de torção, as cordas são transportadas para o processo de tecelagem, onde serão convertidas em tecidos. Esta conversão é alcançada através do entrelaçamento das cordas de urdidura (cordas longitudinais) e as cordas de trama (cordas transversais). O último processo no fabrico de reforços têxteis é o de imersão. Neste processo, o tecido é emerso num banho e posteriormente exposto a um tratamento térmico, com o objetivo de ganhar certas propriedades, que mais tarde irão garantir uma boa adesão entre o tecido e a borracha. 2.4.3. CARACTERÍSTICAS DOS TECIDOS TÊXTEIS Atualmente, cinco tipos de materiais ocupam maior parte do mercado têxtil: o nylon, rayon, poliéster, aramida e aço. O elevado módulo do aço e da aramida faz com que estes materiais sejam indicados para utilização em cintas metálicas de pneus radiais e em carcaças de uma só camada para pneus radiais grandes.
46 2.7. ANÁLISE MECÂNICA PARA O SISTEMA DE TENSÃO NO ENROLAMENTO FILAMENTAR Um sistema de tensão adequado e o controlo da tensão são elementos significativos para alcançar um produto de enrolamento de qualidade. Este tipo de controlo permite o seguinte: • O alinhamento das tiras em ordem; • A distribuição uniforme de tensão entre as tiras; • A obtenção de um produto de enrolamento de qualidade. Para uma melhor compreensão dos princípios de um sistema de medição, foi conduzida uma pesquisa. Esta pesquisa identificou um projeto desenvolvido por três diferentes autores, que será utilizado como base fundamental para a análise mecânica do sistema de enrolamento. Xu Pingan estabeleceu um novo sistema de controlo de tensão preciso em sua dissertação, onde buscou controlar a tensão do filamento de forma precisa ao longo de um processo de enrolamento. Vamos utilizar alguns dos seus princípios para compreender melhor o que realmente acontece durante o enrolamento de tiras ou filamentos. Ren Qite projetou e configurou um sistema de controlo de tensão em sua dissertação. Ele procurou utilizar o princípio do controlo de um sistema de malha fechada, no qual um PID é a estratégia de controlo. Uma vez que também se pretende utilizar um sistema de controlo de malha fechada no projeto desta dissertação, este trabalho de Ren Qite poderá servir como base para aprimorar ideias no desenvolvimento dos protótipos. Jia Xiaoning utilizou um microcomputador de controlo de fricção estática de aplicação de potência e tensão, que utiliza o motor de binário conectado diretamente ao eixo do grupo de fios para exercer a tensão original e controlá-la no microcomputador [8]. 2.7.1. PRINCÍPIOS OPERACIONAIS Um sistema de controlo da tensão de enrolamento incluí os seguintes componentes, que por sua vez podem ser observados na Figura 2.7.1. • O desenrolamento; • A aquisição de tensão: Testa a tensão no tempo real e transmite os resultados para o parte de controlo;
47 • O controlo: Indica para calcular com as informações transmitidas na parte de teste, tendo vários julgamentos de controle, transmitindo o sinal de ajuste ao dispositivo de produção de resistência correspondente e, finalmente, atingindo o objetivo de ajustar a tensão do enrolamento. O módulo do controlo inclui o controlador e o executor do controle de tensão. • As instalações auxiliares: Com base nas características dos sensores de velocidade de resposta rápida, alta precisão e pequeno deslocamento. Figura 2.7.1 - Composição de um sistema de controlo de tensão. Entre o mandril e o rolo de enrolamento, diversos rolos de guiamento controlam a direção do filamento de enrolamento, permitindo um movimento mais firme e controlado. 2.7.2. CONTROLO DE SISTEMA DE MALHA ABERTA OU FECHADA Num controlo de sistema de malha aberta recorre-se ao raio do rolo de enrolamento para testar a tensão com uma estrutura relativamente simples. Enquanto num sistema de malha fechada, um sensor de força é usado para obter a tensão em tempo real e realimentar o sinal para alcançar o sistema de controlo de circuito fechado. 2.7.3. ANÁLISE MECÂNICA DO SISTEMA DE TENSÃO DE ENROLAMENTO Fatores que afetam a estabilidade da tensão:
48 • Mudança no raio de enrolamento; • Atrito; • Conteúdo de resina. 2.7.4. ANÁLISE MECÂNICA DO MECANISMO DE MEDIÇÃO DE TENSÃO A aquisição de dados periódica adequada para os dados em tempo real da tensão pode melhorar a precisão do controle de forma eficaz. Um dos métodos mais utilizados para adquirir o valor da tensão está representando na Figura 2.7.2. Figura 2.7.2 - Método de aquisição da tensão de enrolamento utilizando três rolos. Sendo que o rolo número 2 é o local donde irá atuar o sensor.[8] Os três rolamentos de guia são utilizados para medir a tensão na forma de uma transmissão de força. A tensão será transformada em ação de pressão no rolamento 2 (o do meio) e será testada pelo sensor de força. Os resultados serão enviados de volta/realimentados para o controlador após receber o sinal correspondente, logo, constituindo o feedback input do sistema de malha fechada [8]. As forças presentes neste tipo sistema de medição podem ser representadas da seguinte forma, ver Figura 2.7.3.
49 Figura 2.7.3 – Esquema e análise das variáveis presentes no sistema de aquisição de tensão. Onde: • L1 = comprimento do filamento do rolo guia 1 a 2; • L2 = comprimento do filamento do rolo guia 2 a 3; • T1 = Tensão do filamento entre o rolo 1 e 2. • T2 = Tensão do filamento entre o rolo 2 e 3. • α1 e α2 = ângulos entre o filamento e o eixo horizontal (ou outra linha de referência) nos pontos onde as tensões T1 e T2 são medidas. • Mo =Binário adicional. Pode representar um binário de resistência, um binário externo aplicado ou qualquer outro tipo de momento que afete o equilíbrio do sistema. Nesta situação representa o binário de fricção estática. Quando, o rolo guia do meio (2) atinge um equilíbrio, o seu equilíbrio dinâmico corresponde à seguinte equação: Jw+T1L1cosα1+Mo=T2L2cosα2 (2.1) O binário de fricção estática do rolo de guia 2, Mo, pode ser ignorado. Logo, a equação passa a ficar: Jw+T1L1cosα1=T2L2cosα2 (2.2)
50 Quando os dois lados do rolo de guia 2 têm mudanças na tensão devido à mudança de velocidade da tira, a pressão no rolo de guia 2 pode ser calculada através da seguinte equação: F= T1sinα1+T2sinα2-FO =(T1+T2)sinα2-FO (2.3) Onde: • Fo = Força constante, que pode ser devido à pré-tensão no sistema, fricção ou outras forças estáticas atuando no sistema. Esta simplificação mostra que a força vertical total no sistema de rolos guia é a soma dos componentes verticais das tensões, assumindo ângulos iguais e forças pré-existentes negligenciáveis. 2.8. TERMOGRAFIA 2.8.1. IMPACTO DA CARGA TÉRMICA NA ADESÃO DAS TIRAS DE CAP PLY No processo de enrolamento das tiras de cap ply, à medida que cada camada se sobrepõe, ocorre a aderência indesejada entre elas, consequente do processo de fabrico levado ao limite da produtividade. A adesão destas camadas é um fator crucial, especialmente em fases subsequentes da produção dos pneus, onde o desenrolamento das bobinas é necessário. Como mencionado anteriormente, a tensão de enrolamento desempenha um papel fundamental para garantir o correto enrolamento das tiras de cap ply. O uso de tensões excessivas pode resultar em uma adesão demasiadamente forte entre as tiras, enquanto tensões inferiores ao normal podem ocasionar folgas excessivas. Portanto, o objetivo deste estudo foca-se na medição da tensão de enrolamento das tiras de cap ply. No entanto, a adesão entre as camadas não é afetada apenas por esse parâmetro. Consequência do processo de fabrico as tiras vêm com temperaturas ainda elevadas, pelo que durante o processo de enrolamento, a geração de calor entre as camadas pode influenciar e aumentar a adesão entre as tiras. Caso essa geração de calor seja excessiva, a adesão entre as camadas pode se tornar demasiadamente forte, comprometendo o desenrolamento eficiente nas etapas posteriores da produção. Importa assim também avaliar a variação da temperatura das tiras durante o enrolamento. Para investigar o impacto da carga térmica no processo de enrolamento, foi realizado um estudo termográfico utilizando uma câmara de imagem térmica.
51 2.8.2. TERMOGRAFIA DE INFRAVERMELHOS A termografia de infravermelhos consiste em medir distribuição da energia térmica radiante (calor) emitida por uma superfície alvo e convertê-la num mapa de diferenças de intensidade de radiação, conhecido como termograma. A energia térmica está presente em várias formas, seja através do atrito, perdas de energia, propriedades inerentes ao processo ou uma combinação desses fatores. A tecnologia termográfica é ideal para este estudar a distribuição da energia térmica, pois fornece imagens térmicas abrangentes de uma máquina ou componente específico sem a necessidade de acessórios físicos. Além disso, requer pouca configuração e fornece resultados num curto período de tempo. Os resultados obtidos podem ser exportados para o computador a fim de serem analisados [1]. 2.8.2.1. CÂMARA DE IMAGEM TÉRMICA As câmaras termográficas operam com base num sistema de dois sensores térmicos de radiação infravermelha, capazes de detetar a radiação térmica em comprimentos de onda superiores a 2500 nm. Estas câmaras possuem um funcionamento semelhante ao dos sensores de imagem utilizados para captar imagens de luz visível. A deteção da radiação térmica é possível através do uso de uma matriz de sensores conhecida como matriz de plano focal. Esta matriz de sensores é responsável por captar o calor emitido por uma pessoa, local ou objeto na forma de radiação infravermelha, e então transmitir esses dados para um sensor de câmara. Ao detetar as emissões térmicas infravermelhas provenientes da superfície de um objeto, esses dados são apresentados num monitor, como um gráfico impresso, permitindo uma interpretação direta dos dados da imagem térmica. [9] A câmara termográfica é capaz de gerar uma imagem de alta-definição de objetos com base nas suas temperaturas. Nessa imagem, os objetos mais quentes aparecem com maior brilho, enquanto os objetos mais frios aparecem mais escuros. Geralmente, cores como o vermelho estão associadas a temperaturas mais elevadas, enquanto cores como o azul estão associadas a temperaturas mais baixas. [2], ver Figura 2.8.1.
52 Figura 2.8.1 - Demonstração gráfica da variação de temperaturas (Quanto mais clara for a cor, maior é a temperatura que o leitor está a medir). A câmara de imagem térmica utilizada foi a Fluke Ti300+, ver Figura 2.8.2. Este equipamento foi disponibilizado pela empresa Continental Mabor. As especificações do equipamento seguem-se na Tabela 2.7. Tabela 2.7 - Especificações da câmara de imagem térmica, Fluke Ti300+. [3] Características Principais Resolução infravermelhos 320 x 240 (76 800 pixels). Distância mínima de foco 15 cm. Amplitude mínima (modo manual) 2.0 C. Amplitude mínima (modo automático) 3.0 C. Sensibilidade térmica ≤ 0.075 °C a 30 °C de temperatura alvo. Medidor de distância a laser Sim. (Calcula a distância até ao alvo para imagens com foco preciso e exibe a distância na tela). Medição da temperatura Faixa de medição de temperatura (Não calibrado abaixo de -10 °C) -20°C até 650 °C. Precisão 2 °C ou 2% (a 25°C nominal, o que for maior). Correção de emissividade na tela Sim. Especificações gerais Banda espectral infravermelha 7.5 m a 14 m (onda longa). Temperatura operacional -10 °C a 50 °C. Umidade relativa 10% a 95% sem condensação . Medição de temperatura de ponto central Sim. Temperatura do ponto Marcadores de pontos quentes e frios.
53 Figura 2.8.2 – Câmara de imagem térmica utilizada no ensaio de termografia, Fluke Ti300+.
54 3. APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA 3.1. APRESENTAÇÃO DA EMPRESA 3.1.1. CONTINENTAL AG A Continental AG é uma empresa alemã líder no setor automotivo, fundada em 1871 em Hanover, na Alemanha, sob o nome de “ Continental-Caoutchouc-und Gutta-Percha Compagnie ”. Começou com a produção de produtos de borracha, tal como calçados e pneus maciços para bicicletas e carruagens. Em 1892, tornou-se na primeira empresa alemã a fabricar pneus pneumáticos para bicicletas e em 1898 já conta com a produção de pneus de piso liso para automóveis, dando então início a um processo de evolução de pneus que ocorre até hoje. Com o crescimento da indústria automóvel e consequente aumento da exigência por partes clientes foi necessário desenvolver novas tecnologias e tipos de pneus. Em 1904 a Continental foi pioneira no desenvolvimento e produção de pneus para automóveis com desenho de piso. No ano seguinte, surge a produção de pneus antiderrapantes para utilização em terrenos cobertos com neve. E em 1908, desenvolveram uma jante desmontável para automóveis ligeiros, facilitando todo o processo da substituição das mesmas. Com o tempo, a Continental AG expandiu a sua área de negócio para incluir produtos automotivos, como pneus para automóveis e motocicletas, como também entra na produção de peças automotivas, sistemas eletrônicos e tecnologia de sensores. Durante a segunda guerra mundial, a empresa passa de uma cultura corporativa para uma estrutura liberal com base no modelo imposto pelo regime Nazi. Neste período o principal foco na produção era desenvolver pneus para máquinas de guerra alemãs. Após a guerra, a Continental consegue recuperar rapidamente, e progressivamente expande os seus negócios para todo o mundo. Entre 1931 e 1960, a Continental envolveu-se no mundo desportivo, sendo que diversos veículos de competição equipados com pneus Continental ganharam diversas provas internacionais. Em 1960, dá início à produção em série de pneus automóveis e torna-se num dos principais fabricantes de pneus do mundo, com operações em vários países. Desde então, a Continental continuou a crescer a sua posição na Europa, América do Norte e Ásia e em 2007 opta por adquirir o grupo Siemens VDO Automotive AG , elevando o estatuto da empresa como um dos cinco maiores fornecedores mundiais da indústria automóvel.
55 Atualmente, a Continental AG conta com operações em mais de sessenta países e tem aproximadamente duzentos e quarenta mil funcionários. Em Portugal, a Continental conta com seis filiais, ver Tabela 3.1. Tabela 3.1 - Filiais pertencentes ao grupo Continental AG, em Portugal. Continental Mabor Fabrico de pneus para veículos de passageiros e agrícolas. Continental Pneus de Portugal Comercialização de pneus produzidos pela Continental. Continental Indústria Têxtil do Ave Fabrico de telas para a indústria de pneus. Continental Engineering Services Desenvolvimento de soluções para condução autónoma. Continental Lemmerz Montagem de roda (jante e pneu). Continental Advanced Antenna Produção de antenas. 3.1.2. CONTINENTAL MABOR A empresa Mabor – Manufatura Nacional de Borracha, S.A., deu início à sua produção em 1946. Tornou-se na primeira fábrica de produção de pneus em Portugal, com auxílio técnico da empresa norte americana, General Tire, sediada no estado de Ohio. [10] Já a Continental Mabor só surge mais tarde, no mês de dezembro de 1989, como resultado de uma joint-venture entre a empresa nacional Mabor e a empresa multinacional Continental AG (40% - Mabor; 60% - Continental). A empresa situa-se na localidade de Lousado, Vila Nova de Famalicão. Em julho de 1990 dá o seu arranque industrial e começa o programa de reestruturação, transformando as instalações da Mabor na mais moderna das 21 unidades de Continental existentes nesta época. Este projeto tinha como objetivos a produção de pneus para viaturas de passageiros e comerciais ligeiros, atingir uma média diária de 18.000 pneus/dia e a exportação de uma grande percentagem destes pneus. Em 1993, por aquisição do restante capital, a Continental torna-se na única acionista da empresa. Entre 2010 e 2015, com o desenvolvimento/crescimento da fábrica, a empresa decidiu expandir o seu território criando a ContiSeal e um novo armazém para produtos/pneus acabados (APA) . Em 2013 deu início à produção de pneus de ultra high performance e, em 2016 começa com a produção de pneus de agrícolas, tornando-se numa das únicas fábricas especialistas na produção de estes pneus, como é o caso das fábricas na Alemanha, Républica Checa, Malásia e Sri Lanka.
62 3.3.1. GERAÇÃO DE IDEIAS Desenvolver um sistema de medição de tensão para as tiras de cap ply será um desafio significativo para garantir um controlo automático e eficaz do enrolamento das tiras. Este sistema visa garantir a precisão e a consistência na aplicação da força tensão, crucial para a qualidade e desempenho do produto final. Existem várias abordagens para alcançar este objetivo, cada uma com as suas vantagens e os seus desafios. Na Figura 3.3.1, está representado um esquema de uma das bobines da cap-strip de forma a poder-se compreender melhor o princípio funcional do sistema. Figura 3.3.1 - Esquema do sistema tensorial da tira numa das bobinas da cap-strip. Surge então uma ideia inicial, de adicionar uma terceira roda ao braço da cap-strip, similar ao setup tensímetros dos portáteis que existem no mercado, ver capítulo 3.3.2. Esta roda adicional servirá como o ponto de referência para a medição da tensão aplicada à tira, ver Figura 3.3.2. No entanto, qualquer alteração na geometria do equipamento deve ser cuidadosamente considerada. Mudanças podem afetar o desempenho e a estabilidade do sistema ao longo do tempo. A introdução de uma nova roda pode exigir ajustes minuciosos para evitar impactos indesejados na aplicação da tensão, uma vez que varia ao longo do enchimento da bobina.
63 Figura 3.3.2 – Sketch do ponto de referência para a medição da tensão da tira de cap ply. Uma alternativa seria explorar métodos de leitura indireta, como a medição da mudança do raio da bobine durante o enrolamento da tira. Os sensores a laser são uma opção viável para monitorizar esta mudança, já que se consegue medir precisamente variações no diâmetro do alvo ao longo do seu processo fabrico. A relação entre o raio da bobine e a tensão aplicada é significativa, mas é importante considerar que quebras ou falhas na tensão podem ocorrer antes do enrolamento da bobina, mais especificamente na passagem pelos rolamentos, devido ao atrito gerado pela deslocação da tira nos mesmos. Daí esta alternativa pode ser considerada como não plausível para aplicação na máquina. A possibilidade de se utilizar equipamentos das máquinas PU ( Production Unit ) para controlar a tensão na cap trip é uma ideia interessante e já foi brevemente referida no capítulo anterior. As PU’s são responsáveis por aplicar as tiras, breakers e pisos do pneu. Nestas máquinas, a tensão na cinta é monitorizada por uma célula de carga que traduz a variação da corrente elétrica que nela são geradas em valores mensuráveis. A conexão dessa célula a um amplificador permite converter os valores lidos como resistências para valores de força [N]. E, posteriormente permite ajustar a velocidade do motor caso os valores fiquem fora dos limites estabelecidos. Ao aplicar este método na capa strip seria exigido adaptações significativas para integrar essa tecnologia no processo de fabrico específico das tiras de cap ply. Cada abordagem proposta possui as suas vantagens e os seus desafios técnicos. A decisão sobre qual o método adotado dependerá não apenas da eficácia da medição da tensão, mas também da viabilidade da implementação no contexto da cap trip. Testes piloto e simulações podem ajudar a avaliar a eficácia e a influência de cada método na produção antes de uma implementação em larga escala. Além das técnicas mencionadas, pode ser considerado como crucial o impacto da variabilidade dos materiais utilizados na cap trip e nos equipamentos de medição para final diferenças nas
64 propriedades materiais podem afetar a forma como a tensão é aplicada e manter ao longo do processo. Portanto, é essencial realizar análises detalhadas dos materiais e as suas características para garantir uma medição precisa da força de tensão. Com este capítulo percebe-se que a pesquisa contínua e o desenvolvimento de novas tecnologias são essenciais para aprimorar os processos industriais, como é o caso da fabricação de pneus. Explorar diversas abordagens e estar aberto a inovações são passos fundamentais para se conseguir alcançar melhorias significativas na qualidade e na eficiência do produto final. 3.3.2. ESTUDO AO MERCADO DE TENSÍMETROS E TRANSDUTORES Numa breve análise ao mercado de tensímetros, com o intuito de encontrar soluções aplicáveis ao sistema de medição da força de tensão da cap-strip, é possível identificar uma variedade de dispositivos e tecnologias que podem ser adaptados ou inspirar melhorias significativas. Os tensímetros portáteis surgem como uma das principais referências neste contexto. Estes dispositivos possuem diferentes configurações, sendo alguns deles baseados em rodas de medição que aplicam uma pressão controlada na superfície de interesse. Esta abordagem, de ter uma roda de referência para medição no sistema da cap-strip, é promissora. Ao adicionar uma terceira roda no braço de aplicação da tira, poderia criar-se um sistema similar, utilizando a roda do meio como ponto de referência para medição de tensão. Porém, é crucial considerar a adaptação desses tensímetros à especificidade do processo da Capstrip. As exigências técnicas e a estrutura específica dessa máquina requerem uma análise minuciosa para garantir a viabilidade e eficácia da implementação. Da Tabela 3.3 à Tabela 3.6, encontram-se dois tensímetros da marca chinesa, BETTEN, e dois transdutores da empresa americana, Dover Flexo Eletronics. Foi efetuada uma breve descrição da empresa e do equipamento para cada produto.
65 Tabela 3.3 - Descrição do equipamento Handy-Tens LC da empresa BETTEN. Equipamento Descrição do equipamento Nome do equipamento: Handy-Tens LC Especificações: → Alimentado a pilhas; → Dispositivo de mão pequeno e leve; → Adequado para medições de curta duração; → Adequado para medir a tensão dos seguintes materiais: Fio metálico e materiais têxteis; → Polia guia de alumínio com rolamento duplo de esferas de 10 mm; → Polia guia de alumínio com rolamento duplo de esferas de 10 mm; → Velocidade máxima de linha até 2200 m/min; → Função de retenção: Ao premir e manter premido o botão, o valor atual pode ser armazenado; Empresa: China Shenyang Betten Technology Co., Ltd. Breve descrição da empresa: Fornece medidores de tensão, tensímetros, sensores de tensão, sensores de carga, enroladores e desenroladores, para as várias indústrias, capazes de medir a tensão dinâmica e estática em fios, cabos, fibras e outros materiais. → Dimensões: Modelo 20 N: 200 x 80 x 30 mm; → Peso: 300 g. LINK: https://www.texiaoyishu.com /zlcp/jkzly/1114.html Para implementar este tipo de equipamento, seria necessário realizar ajustes significativos em relação à sua fonte de energia, visto que, atualmente, a bateria disponível não se adequa às necessidades da Cap-strip. No entanto, apesar dessa limitação, esse dispositivo pode ser considerado como um ponto de partida para desenvolver um potencial método de medição da tensão das tiras de cap ply.
66 Tabela 3.4 - Descrição do equipamento Handy-Tens LC da empresa BETTEN. Equipamento Descrição do equipamento Nome do equipamento: HandyTens LC Equipado com um compensador de diâmetro, que compensa os erros causados pelos diferentes diâmetros de cabos utilizados e melhora a exatidão das medições; Definição programável do valor máximo e mínimo da barra de estado da tendência, determina claramente o intervalo de mudança de tensão, e tem as vantagens da exibição de tendência de instrumento mecânico. Características e benefícios: Empresa: China Shenyang Betten Technology Co., Ltd. Breve descrição da empresa: Fornece medidores de tensão, tensímetros, sensores de tensão, sensores de carga, enroladores e desenroladores, para as várias indústrias, capazes de medir a tensão dinâmica e estática em fios, cabos, fibras e outros materiais. z → Gama da tensão: (25-2500.0 cN to 0.2-20.00 daN); → Dimensões: 76 x 46 x 275 mm; → Alimentação: Bateria recarregável de iões de lítio, funcionamento contínuo durante cerca de 60 horas; → Temperatura de funcionamento: 10-45 C, 90% de humidade relativa ou menos; LINK: https://www.chinatensionmeter.com/Tensionmeter/cables-ropes/907.html → Precisão: (material de calibração de fábrica) 1% da escala completa, (outros materiais 3% da escala completa; → Velocidade máxima de linha: 6000 m/min. Os diferentes modelos da série NTL: Modelo Gama de Tensões Largura da cabeça de medição Gama de diâmetro Material de calibração (Monofilamento de poliamida) Compensação do diâmetro do fio NTL-2500 25-2500.0 cN 225 mm Gama personalizada Fornecido pelo cliente SIM NTL-5000 50-5000 cN 225 mm Gama personalizada Fornecido pelo cliente SIM NTL-10K 1.0-10.0 daN 225 mm Gama personalizada Fornecido pelo cliente SIM NTL-20K 2.0-20.0 daN 225 mm Gama personalizada Fornecido pelo cliente SIM
67 Tabela 3.5 - Descrição do equipamento VNW Series Tension Transducer da empresa DFE. Equipamento Descrição do equipamento Nome do equipamento: Model VNW Series Tension Transducer O sensor VNW é montado em cantiléver (fixação num lado) em máquinas de processo para aplicações de desenrolamento, enrolamento, recolha ou em zonas intermédias. Empresa: DFE (Dover Flexo Eletronics) A tensão é medida através de extensómetros ( strain gauges ) de semicondutores de alto rendimento alojados internamente num feixe de transdutores de cantiléver duplo e ligados numa configuração de Wheatstone bridge . As rodas são montadas no eixo, que está inserido no furo do transdutor, e são fixas através de parafusos. A profundidade do eixo pode ser ajustada +/- 0,25 polegadas, de forma a se obter o correto alinhamento da roda com o filamento. Breve descrição da empresa: A DFE é a escolha natural dos OEM, operadores, engenheiros de processo e de controlo para equipar as máquinas com um controlo de tensão preciso e fácil de utilizar. Os seus sistemas melhoram a produtividade e a fiabilidade do processamento de materiais, reduzindo o desperdício e os custos operacionais. Estas vantagens permitem o retorno do investimento num novo sistema de controlo de tensão em apenas algumas semanas. A qualidade consistente, a fiabilidade do produto e o apoio técnico superior traduzem-se num baixo custo total de propriedade para todos os nossos clientes. À medida que o filamento passa sobre a roda de transporte passa sobre a roda de transporte rotativa, a força do substrato sobre o eixo da roda provoca uma deflexão mínima do feixe do transdutor. Esta mudança resultante na resistência do extensómetro produz uma saída de tensão (Voltagem) do transdutor que é proporcional à carga. O valor de saída do transdutor é condicionado através de um amplificador ou um controlador automático de tensão ou pelo controlo de tensão em circuito fechado (Incorporando um dispositivo de binário). Características e benefícios: Profunidade de 2 1/8” permite a instalação em espaços apertados; Tecnologia de extensómetros de semicondutores altamente precisa e fiável; → Versátil e fácil de instalar; → Comprimentos de face da roda até 4” no máximo; → Design e\ materiais de alto desempenho para uma longa vida útil; → Classificações de carga de 10 – 400 lbs (45 – 1800 N); → Estão disponíveis rodas especiais; → Medição exata de tensão de qualquer banda estreita, fita ou filamento; → Construção em aço inoxidável para uma excelente resistência à corrosão; → Peso das rodas: Filamento (222 g); Fita (204 g); Adaptador (295 g). Direção da carga aplicada (ajustar o transdutor no ajustar manualmente o transdutor na estrutura da máquina (não utilizar uma chave inglesa), de modo que a seta (ou o entalhe) bis seccione o ângulo de enrolamento.)
68 Tabela 3.6 - Descrição do equipamento LT Low Tension Transducer da empresa DFE. Equipamento Descrição do equipamento Nome do equipamento: Model LT Low Tension Transducer O transdutor de baixa tensão LT é utilizado em aplicações de processamento de filamentos, fibras, fitos e fios, onde se requer o controlo de tensão a níveis baixos. Empresa: DFE (Dover Flexo Eletronics) Acoplado a um amplificador, ele funciona como um sensor eletromecânico que converte a tensão do filamento numa tensão CC proporcional à carga. À saída do transdutor, também pode ser montado um controlador de tensão automático que gere a tensão num circuito de malha fechada, regulando um dispositivo de binário, como por exemplo um travão, embraiagem ou sistema de acionamento. Breve descrição da empresa: A DFE é a escolha natural dos OEM, operadores, engenheiros de processo e de controlo para equipar as máquinas com um controlo de tensão preciso e fácil de utilizar. Os seus sistemas melhoram a produtividade e a fiabilidade do processamento de materiais, reduzindo o desperdício e os custos operacionais. O transdutor LT está disponível numa configuração de caixa empilhável ou numa caixa roscada (M36 x 4) ou com duas porcas de bloqueio. A caixa roscada instala-se facilmente num orifício da estrutura da máquina. A direção da força pode ser facilmente ajustada através do desaperto das porcas de aperto seguida pela rotação da caixa do transdutor para a posição correta. As rodas do transdutor padrão são leves, de alumínio anodizado com revestimento duro. São duráveis, de baixa inércia e equipadas com rolamentos de esferas de grau instrumental. Características e benefícios: Extensómetro semicondutores de alto desempenho proporcionam precisão e longevidade superiores; Classificação de carga: (50, 100, 200, 500, 1000, 200g); → Tamanho compacto permite que o transdutor caiba em espaços pequenos; → Binário de rutura ultrabaixo (1.5 g/cm) significa que não há deslizamento ou arranhões do filamento na roda; → Empilhável; vários transdutores cabem num espaço pequeno; → Construção robusta; → Baixo custo; → 5 anos de garantia; → Temperatura de funcionamento: – 23 C até 93 C. Montagem do transdutor (Legenda: Esquerda – MONTAGEM DE CAIXA DE EMPILHAMENTO (extremidade); Meio – MONTAGEM DE CAIXA DE EMPILHAMENTO (lado); Direita – CAIXA ROSCADA, MONTAGEM COM ORIFÍCIO DE PASSAGEM).
69 3.4. TENSÃO DE ENROLAMENTO A tensão de enrolamento das tiras de cap ply é uma medida de força que é aplicada às tiras quando estas são enroladas. Existem diferentes técnicas para controlar a tensão de enrolamento das tiras de cap ply, tal como o uso de máquinas de enrolamento especializadas e o monitoramento rigoroso da tensão durante o processo de fabrico. A tensão de enrolamento pode ser medida através de um dispositivo designado por tensímetro, que mede a força aplicada às tiras de cap ply enquanto estas são enroladas. Contudo, convém compreender primeiro o funcionamento de um sistema de enrolamento, começando pelos enroladores. 3.4.1. SISTEMA DE ENROLAMENTO Os enroladores têm uma função crucial na regulação da tensão superficial durante o processo de enrolamento de materiais, desempenhando um papel vital no controlo da tensão das tiras de cap ply durante a operação de enrolamento na máquina cap-strip. [12] A manutenção de uma tensão constante ao longo do processo é essencial para garantir um enrolamento adequado do material. Nos casos onde a espessura do material é considerada baixa, é necessário ajustar a tensão à medida que o diâmetro do rolo aumenta. Adicionalmente, neste tipo de processo é de muito importante evitar problemas como inclusões de ar entre as camadas de tiras, o que poderá comprometer a qualidade do enrolamento. Um sistema de enrolamento abrangente deve incluir pelo menos, os seguintes componentes: • Rolo com um núcleo; • Motor (diretamente acoplado a uma caixa de engrenagem); • Polias/Rolamentos (orientam o material na direção correta). 3.4.2. TIPOS DE ENROLADORES Existem vários tipos de enroladores, como o enrolador centralizado (ou axial) e o enrolador de superfície, onde o material é guiado por uma correia, ver Figura 3.4.1. Na cap-strip, são utilizados enroladores centralizados, nos quais o material é enrolado em torno de um "núcleo" acionado por um motor.
70 Figura 3.4.1 - Ilustração do enrolamento centralizado (a) ou de superfície (b) utilizados nas indústrias em que podem ser aplicados, tal como no enrolamento de tiras de cap ply. [12] 3.5. PRINCÍPIOS DO ENROLADOR As partes cruciais de um sistema de enrolamento incluem o motor, a caixa de engrenagem e o rolo com o núcleo. Na análise física do processo, a velocidade da linha, o diâmetro, a relação de transmissão e a velocidade do motor desempenham papéis essenciais. Através da Figura 3.5.1 consegue-se compreender melhor o papel de cada parte, bem como as quantidades físicas descritas (i = relação de transmissão; n = velocidade do motor; D = diâmetro; v = velocidade de linha). (a) (b)
71 Figura 3.5.1 - Ilustração dos componentes envolventes num sistema de enrolamento e algumas das quantidades físicas igualmente importantes. [12] 3.5.1. DIÂMETRO O diâmetro é um parâmetro interno crucial para calcular outras variáveis, como por exemplo a tensão. Sendo assim, a precisão do enrolador depende principalmente do diâmetro. Existem diferentes formas de medir o diâmetro, quer por métodos diretos ou indiretos. Relativamente ao método direto, pode-se utilizar um medidor ultrassônico, uma vez que é a forma mais exata e precisa de se obter o valor do diâmetro. Contudo, este é um método bastante caro e, logo nem sempre é o mais adequado para o tipo de aplicações que pretendemos aplicar o aparelho de medição. Indiretamente, consegue-se obter o valor do diâmetro através de parâmetros mais fáceis de medir, como a velocidade do motor e da linha, ver (3.1). D= v n∙π (3.1) Onde: • n = Velocidade da rotação do motor. [rpm] • v = Velocidade da linha.[m/min] • D = Diâmetro [m]
78 15 13 11 9 7 5 3 1 16 14 12 10 8 6 4 2 Figura 3.6.2 - Esquema (estilo de visualização – wireframe ) da Cap-strip 3, com a respetiva numeração de cada bobine. A vermelho estão assinaladas as bobines que serão utilizadas para as medições. A linha azul-claro representa o setor de arrefecimento. Este esquema é uma representação aproximada do estado atual da máquina, modelada no software Fusion 360 da Autodesk . 3.6.1. CALIBRAÇÃO DA CÂMARA TERMOGRÁFICA Antes de iniciar o ensaio, foi necessário verificar se o dispositivo estava calibrado para a leitura de valores de temperatura emitidos pelo material em estudo, a borracha. De acordo com a fornecedora da câmara de imagem térmica, um dos métodos mais utilizados para a calibração deste tipo de equipamento consiste na leitura da temperatura da água congelada e a ferver. No equipamento deverá ser atribuído o valor de 0.96 ao parâmetro de emissividade. Ao apontar a câmara para o recipiente com a água, a leitura no equipamento deverá corresponder aos 36 °F (2.2°C) para a água congelada e a um intervalo de valores entre os 150 e 160 °F (66.6 – 71.1°C) para a água fervente. A câmara está calibrada para o material de borracha, cujo a emissividade corresponde a 0.95, como se pode ver pela Tabela 3.8.
79 Tabela 3.8 - Emissividade Superficial Nominal, [4] Material Valor Material Valor Padrão **** 0.95 Vidro (prato) 0.85 Alumínio * 0.30 Ferro * 0.70 Amianto 0.95 Chumbo 0.50 Asfalto 0.95 Óleo 0.94 Latão * 0.50 Tinta 0.93 Cerâmico 0.95 Plástico 0.95 Betão 0.95 Borracha 0.95 Cobre * 0.60 Areia 0.90 Comida – Gelada 0.90 Aço * 0.80 Comida – Quente 0.93 Água 0.93 Madeira *** 0.94 * Oxidado ** Opaco *** Natural **** Configuração de fábrica Item destacado – Valor de emissividade utilizado nos ensaios. 3.6.2. INFLUÊNCIA DA DISTÂNCIA DA CÂMARA ATÉ O OBJETO Outro parâmetro a ter em conta antes de realizar as medições, é a influência da distância entre o aparelho e o alvo. À medida que a distância (D) aumenta, a área de leitura (S) torna-se maior, ver Figura 3.6.3. Quanto menor for o alvo, menor deverá ser a distância entre o alvo e o equipamento de medição. Para medições precisas é necessário certificar que a área de leitura é inferior ao alvo que se pretende medir, ver Figura 3.6.4. [4]. Figura 3.6.3 - Relação entre a distância (D) e a área de leitura (S), [4].
80 Figura 3.6.4 - Campo de visão, [4]. Tendo em conta os parâmetros apresentados no último parágrafo e nas Figuras Figura 3.6.3 e Figura 3.6.4, definiu-se um distanciamento (D) entre o operador e a máquina de 200 50 mm, ver Figura 3.6.5. Para garantir essa distância, foi posicionada uma fita branca no chão, indicando onde colocar o pé durante a leitura. Figura 3.6.5 - Representação gráfica do distanciamento (D) entre operador e equipamento durante a leitura da temperatura.
81 3.7. RESULTADOS Após serem efetuadas as leituras, de acordo com os procedimentos destacados nos subcapítulos anteriores, os valores foram registados na Tabela 3.9. Tabela 3.9 - Temperatura das tiras de cap ply nas bobines 1, 6, 11 e 16 da Cap-strip 3. Bobines Tempo (min) Medição T (°C) Tmédia (°C) ∆T (°C) 1 5 1 26.02 25.69 3.77 2 25.36 20 1 23.71 23.93 2 24.14 35 1 21.92 21.92 6 5 1 24.53 24.18 1.60 2 23.83 20 1 23.97 22.99 2 22.01 35 1 22.58 22.58 11 5 1 24.57 22.92 0.46 2 21.26 20 1 24.12 23.37 2 22.62 35 1 22.99 22.99 16 5 1 20.90 22.22 0.71 2 23.54 20 1 22.26 21.51 2 20.76 35 1 22.17 22.17 Com a tabela consegue-se retirar que para cada bobine existe um decréscimo de temperatura ao longo do enrolamento. A bobina 1 consta com o maior declive das quatro bobines escolhidos para o estudo termográfico.
82 É de notar que no minuto 35 só existe uma leitura, ao contrário dos restantes minutos onde existem duas. Isto acontece devido a uma falha na passagem de informação do leitor para o computador. Através dos valores de tempo e temperatura média, foi gerado um gráfico para cada bobine, de forma a conseguir representar uma curva (linha de tendência) da variação da temperatura ao longo do processo de enrolamento. Ver Figura 3.7.2 à Figura 3.7.8. Figura 3.7.1 - Gráficos com as leituras de temperatura da tira de cap ply na bobine 1. Figura 3.7.2 - Ilustração da leitura número 1 do minuto 5 efetuada na bobine 1. 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0 30.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 T ( ° C) Tempo (min) Bobine 1
83 Figura 3.7.3 - Gráficos com as leituras de temperatura da tira de cap ply na bobine 6. Figura 3.7.4 - Ilustração da leitura número 2 do minuto 20 efetuada na bobine 6. 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0 30.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 T (°C) Tempo (min) Bobine 6
84 Figura 3.7.5 - Gráficos com as leituras de temperatura da tira de cap ply na bobine 11. Figura 3.7.6 - Ilustração da leitura número 2 do minuto 5 efetuada na bobine 11. 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0 30.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 T (°C) Tempo (min) Bobine 11
85 Figura 3.7.7 - Gráficos com as leituras de temperatura da tira de cap ply na bobine 11. Figura 3.7.8 - Ilustração da leitura número 1 do minuto 35 efetuada na bobine 16. Os resultados da termografia revelam um padrão consistente de decréscimo na temperatura da tira de capa ao longo dos 40 minutos de processo de enrolamento. Esse decréscimo é particularmente notável nas bobines 1 e 6, enquanto as bobines 11 e 16 apresentam leituras mais estáveis, refletindose em gráficos com linhas de tendência retas para ambas bobines. Verifica-se que a temperatura ronda os 22 °C, e atinge um máximo de 26.02 °C (Bobine nº1) e mínimo de 20.76 °C (Bobine nº16). Na primeira bobine ocorreu um decréscimo de temperatura mais acentuado em relação às restantes bobines, mais especificamente após os 35 minutos do processo. 20.0 22.0 24.0 26.0 28.0 30.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 T (°C) Tempo (min) Bobine 16
86 Sendo assim, pode-se presumir que tenha sido uma anomalia cometida durante a leitura, e que o valor verdadeiro da temperatura nesse instante possa estar a rondar os 23 °C. 3.8. CONCLUSÃO Inicialmente, esperava-se resultados opostos, considerando a crença que a força exercida sobre as tiras ao longo do enrolamento poderiam influenciar a sua temperatura. A expetativa era que esses fatores afetassem as propriedades de adesão da tira, uma vez que um aumento na temperatura poderia melhorar essa adesão. Essa possível melhoria na adesão poderia, por sua vez, dificultar o desenrolamento das tiras nos processos subsequentes. No entanto, os resultados deste estudo desafiaram essa expetativa, destacando a estabilidade das propriedades da tira ao longo do processo de enrolamento. A ausência de variações significativas de temperatura e impacto na adesão sugere uma consistência notável, contrariando a hipótese inicial. A utilização de um equipamento de refrigeração, que é o caso na máquina em questão, possibilita o mantimento de uma temperatura constante ao longo do processo de enrolamento da tira. Apesar do propósito deste equipamento ser manter a totalidade da máquina a uma temperatura razoável e correta de funcionamento, não se pode descartar o impacto que pode ter no produto que a máquina está a produzir. Finalizando, não existe um aumento ou decréscimo de temperatura significativo para a carga térmica ser considerada como um fator influenciador no enrolamento e adesão da tira de cap ply. Logo, pode-se partir do princípio de que a tensão do enrolamento da tira é o único/principal fator a ser considerado para que o processo seja corretamente desempenhado pela máquina. 4. PROJETO DO SISTEMA DE MEDIÇÃO O objetivo central deste capítulo é a criação de equipamentos que sejam, acima de tudo, simples e acessíveis. A simplicidade do produto é muitas vezes a chave para o seu sucesso e a sua eficiência. O foco principal é arranjar alternativas de modelos mais onerosos atualmente disponíveis no mercado, que proporcionem um desempenho semelhante ou superior a um custo significativo inferior. Contudo, não é descartada a opção de encontrar produtos no mercado que justifiquem o seu valor e que possam ser utlizados neste processo de medição de tensão.
87 Ao longo deste capítulo, exploraremos em detalhe o processo de criação e teste dos protótipos, destacando os princípios de funcionamento, os desafios enfrentados e as vantagens oferecidas por essas soluções. 4.1. PROJETO E CONSTRUÇÃO DO SISTEMA DE MEDIÇÃO 1 O desenvolvimento deste protótipo irá consistir na aplicação do conceito de um modelo existente no mercado, num protótipo simplificado de forma a perceber se este pode ser aplicado na Cap-strip. O modelo que servirá de padrão é o LT ( Low Tension Transducer ) da empresa DFE ( Dover Flexo Eletronics ), que já foi mencionado no capítulo 3.3.2, na Tabela 3.6. 4.1.1. DOVER FLEXO ELETRONICS – LT TRANSDUCER Este modelo é utilizado em aplicações de processamento de filamentos, fibras, fitas e fios, onde se requer um controlo de tensão a níveis baixos. O seu funcionamento consiste na conversão da tensão do filamento numa tensão CC proporcional à carga. À saída do transdutor pode ser montado um controlador de tensão automático que gere tensão num circuito de malha fechada, regulando um dispositivo de binário, tal como um travão, embraiagem ou sistema de acionamento. Este modelo está disponível em dois tipos de configuração, empilhamento e roscada. A configuração de empilhamento possibilita a acoplação de diversos transdutores no mesmo espaço. A configuração de caixa roscada instala-se facilmente num orifício da estrutura da máquina. A direção de força pode ser facilmente ajustada através do desaperto das porcas de aperto seguida pela rotação da caixa do transdutor para a posição correta. No equipamento está marcado uma seta que deve ser alinhada juntamento com a direção por qual a força está a ser aplicada na tira. As rodas do transdutor são leves, de alumínio anodizado com revestimento duro. São duráveis, de baixa inércia e equipadas com rolamentos de esferas de grau instrumental. Atualmente, a classificação de carga do equipamento passa pelos seguintes pesos: 50, 100, 200, 500, 1000 e 2000 g. É um equipamento de baixo custo, com uma construção robusta e um tamanho compacto. Tem uma temperatura de funcionamento de –23 °C a 93 °C. Ademais, proporciona precisão e longevidade superiores aos restantes equipamentos no mercado.
94 b. Aplicar uma força conhecida ao sensor e registrar a leitura da resistência correspondente do multímetro; c. Repetir o passo acima para um determinado intervalo de valores. 4. Tracejamento da curva de calibração: a. Criação de um gráfico com a força (em newtons) no eixo y e a resistência (em ohms) no eixo x; b. Usar os valores de força e resistência para delinear os pontos de dados; c. Ajustar uma curva ou linha através da união dos pontos de dados. 5. Converter a variação de resistência em força: a. Medir a variação da resistência no sensor de força utilizando o multímetro; b. Consultar a curva de calibração e encontrar o valor de força correspondente à leitura de resistência no multímetro. 4.1.5. PROPOSTA DO PROTÓTIPO O transdutor de baixa tensão da Dover Flexo Eletronics, ver Tabela 3.6, foi escolhido primeiramente para a conceção deste protótipo. Como esboço inicial da conceção do sistema este dispositivo parece ser o mais simples para a fabricação e montagem. A adaptação do funcionamento da Dover Flexo Eletronics será implementada no protótipo. O uso do sensor de pressão implica a presença de um componente que estabeleça o contacto entre este e o sensor, permitindo a medição dos valores relacionados com a força de tensão durante o processo. A passagem da tira pela roda induzirá desvios transversais do braço, ilustrados na Figura 4.1.8 e esboço da Figura 3.3.2, através de uma seta vermelha. Este fenómeno já acontece na máquina atual, contudo, devido a que a roda tem o seu eixo fixo, juntamente com o peso do braço e dos restantes componentes, é necessário arranjar um sistema no protótipo que possibilite a ocorrência destes movimentos e, que este seja percetível e maximizado de forma que seja possível obter valores que possam ser lidos pelo sensor e futuramente analisados.
95 Figura 4.1.8 - Ilustração da movimentação transversal que a roda sofre devido à passagem da tira pela roda. Sentido da movimentação está representado pela seta vermelha. O componente que entra em contacto com o sensor precisa de estar de alguma forma relacionado com a roda. Surge então a proposta de utilizar um guia, que se moverá transversalmente devido á força exercida pela tira na roda ao longo da sua passagem pela mesma, Figura 4.1.9. A conexão entre o guia e a roda será realizada através de duas placas: uma para a acoplar a roda (Designada por placa de suporte) e outra para servir como um ponto de orientação, mantendo o movimento do guia estável e linear ao longo de cada placa (Designada por placa interior). A transmissão da força da tira na roda para o movimento transversal do guia ocorrerá pela fixação do mesmo na placa de suporte da roda, utilizando uma porca. Ou seja, uma das extremidades do guia terá de ser roscada. Este detalhe está destacado na Tabela 4.2, na secção do guia, assim como o aspeto dos respetivos conjuntos.
96 Ambas as placas serão inseridas em uma terceira, designada por placa exterior, que funcionará como um invólucro. Na extremidade de esta placa que serão posicionados os sensores de pressão. Cada placa terá um furo por onde o guia possa mover-se, quer seja para trás ou para a frente. Ademais, será utilizado um tubo de teflon, de modo a garantir um deslizamento mais suave do guia entre cada placa. Para evitar o acréscimo significativo de peso ao braço da máquina, as placas adotarão um perfil em U e serão confecionadas em alumínio. 4.1.6. COMPONENTES DO SISTEMA 1 Cada um dos componentes está apresentado na Tabela 4.2, com uma pequena descrição, quer seja da totalidade da peça, ou de apenas um detalhe da mesma. Adicionalmente, é referido o material utilizado para cada um dos componentes. No Anexo B encontram-se os desenhos técnicos concebidos e utilizados para a produção de cada uma das peças. Cada um dos componentes será produzido por uma empresa subcontratada pela Continental Mabor, sendo esta a Moldamirco-Metalomecanica de Moldes e Ferramentas, LDA. Figura 4.1.9 - Representação do movimento do guia e dos restantes componentes no sistema de medição 1.
97 Tabela 4.2 - Descrição dos componentes utilizados para o protótipo 1. Componentes + Descrição Ilustração Placa Exterior Os dois furos de menor dimensão têm o propósito de acoplar cavilhas que impedirão o movimento rotacional da placa interior. Desta forma evita-se que o guia sofra qualquer movimento na direção do eixo Z. Material: Alumínio Placa Interior De notar os dois furos mencionados na acima na placa exterior. O furo do meio é utilizado para colocar parafusos em ambos os lados, de forma a fixar esta placa à placa exterior. Material: Alumínio Placa de Suporte da Roda O furo lateral é utilizado para colocar o pino que servirá como o eixo de rotação da roda. Material: Alumínio
98 Tabela 4.2 - Descrição dos componentes utilizados para o protótipo 1. (Continuação) Componentes + Descrição Ilustração Guia Tal como já foi mencionado no capítulo 0, o guia é roscado na sua extremidade para, posteriormente, ser colocado uma porca que irá fixar este à placa de suporte da roda. Material: Latão Tubo Utilizado para facilitar a passagem do guia, uma vez que elimina o contacto direto do guia com os furos das placas. Material: Teflon Roda Contem o mesmo diâmetro ao da roda utilizada na máquina. Material: Alumínio
99 4.1.7. ASSEMBLAGEM DOS COMPONENTES EM 3D Esta etapa de assemblagem no software de modelação 3D permite uma visualização holística do sistema final. Ao unir cada componente modelado previamente, é possível não apenas avaliar sua integração na Cap-strip, mas também obter uma perspetiva detalhada da estética e do processo de montagem. A Figura 4.1.10 e Figura 4.1.11 exibe o protótipo completo, com a montagem de todos os componentes, enquanto a Figura 4.1.12 ilustra a sua disposição no braço da cap-strip. Figura 4.1.10 - Vista em perspetiva do protótipo 1 no software Fusion360. Figura 4.1.11 - Vista de cima do protótipo 1 no software Fusion360 .
100 Figura 4.1.12 - Posicionamento do protótipo no braço da Cap-strip. Este método de medição difere do atual modelo da Dover Flexo Eletronics uma vez que possuí certas características diferentes. A começar pelas dimensões do aparelho. O equipamento da DFE é de maior dimensão e irá necessitar a que sejam efetuadas alterações no atual modelo do braço de cap-strip para que a roda (onde passa a tira de cap ply) consiga ser colocado entre as paredes interiores do referido braço. Terá de ser acoplado uma plataforma de suporte de fixação do aparelho para este puder funcionar no decorrer do funcionamento da máquina, aumentando bastante a massa do braço. 4.1.8. AMPLIFICADOR OU CONTROLADOR DE TENSÃO Neste capítulo discute-se a opção entre utilizar um amplificador ou controlador de tensão de malha fechada, de forma a ler os sinais transmitidos pelo transdutor e transmiti-los para o motor de travagem já existente na máquina (cap-strip). Comparando os dois equipamentos, podemos destacar logo um dos fatores mais importantes para a possível implementação na máquina, que é o dimensionamento de cada um. Os controladores de tensão ocupam muito mais espaço em relação aos amplificadores, sendo que são aparelhos mais sofisticados com funções mais complexas e completas que os amplificadores. Alguns dos modelos da DFE contam com uma largura de aproximadamente 200 mm e uma altura de 250 mm. Por outro lado, alguns dos amplificadores chegam aos 25 mm de altura e 20 mm de largura. Logo, claramente se
101 percebe que seria de uma naturalidade muito mais simples e fácil, a montagem do amplificador no atual setup da Cap-strip. Contudo, o sistema de montagem dos controladores de tensão de malha fechada, possibilita a sua montagem em paredes. Com isto, existe a possibilidade de colocar os controladores de tensão na parede interior da Cap-strip, possivelmente numa região perto da bobine de enrolamento. Outro fator a ter em conta é a funcionalidade de cada equipamento. Enquanto o amplificador apenas permite amplificar o sinal transmitido pelo transdutor de maneira que os restantes equipamentos conseguem “trabalhar” com esse sinal, o controlador de tensão fazer o mesmo e algo mais. Esse algo mais passa por fazer uma comparação entre o sinal lido e um valor, denominado por “set point”, que é definido numa etapa anterior ao começo de operação do controlador. Se o valor lido estiver fora do intervalo definido do “set-point” irá ser transmitida a informação necessária para que a máquina ajuste os seus parâmetros de forma que o valor lido no transdutor esteja entre o intervalo estabelecido. Adicionalmente, deve-se ter em conta o precário de cada equipamento. Uma vez que uma capstrip conta com 16 bobines no total, é possível que sejam necessários 16 equipamentos. 4.1.9. TESTES Mesmo estando localizado em uma posição bastante próxima do ponto de ação do enrolamento, esta região da fita praticamente não demonstra qualquer tensão significativa, e, caso houvesse, seria de magnitude bastante reduzida. Dessa forma, seria imprescindível o uso de um dispositivo com resolução e sensibilidade inferiores ao sensor atualmente disponível, capaz de mensurar esses valores mínimos. Geralmente, tais dispositivos são mais dispendiosos em comparação aos modelos destinados à medição de grandezas consideradas mais substanciais. A Figura 4.1.13 apresenta a versão física do sistema de medição 1 desenvolvida em conjunto com a Continental Mabor e a Moldamirco-Metalomecanica de Moldes e Ferramentas, LDA.
102 Figura 4.1.13 – Fotografia da versão física do protótipo 1. 4.2. PROJETO E CONSTRUÇÃO DO SISTEMA DE MEDIÇÃO 2 O tema da presente dissertação concentra-se na busca de uma solução para medir e controlar a tensão das tiras de cap ply, que por sua vez possibilite a otimização do processo de enrolamento de forma eficaz. Nesse sentido, é crucial considerar a constante necessidade de aprimorar o referido processo, uma vez que melhorias que conduzam a um aumento na eficiência são vitais. Logo, torna-se necessário encontrar uma solução que atenda a esses requisitos. O cenário original, apresentado no capítulo anterior, no qual o primeiro protótipo seria implementado, apresentou desafios significativos que iriam afetar a eficácia do desenrolamento das tiras. Estas limitações não se limitaram apenas no local de implementação, pois a própria qualidade do “instrumento” de medição demonstrou falhas significativas, tornando-o inadequado para o processo de produção das tiras nas cap-strips. Em primeiro lugar, ao contrário das expectativas, a tensão da tira entre os rolamentos do braço e a bobine onde será enrolada era praticamente inexistente. Isso ocorria porque a tira estava, de certa forma, solta e não gerava quase nenhum movimento do guia do protótipo contra o sensor de medição. Como resultado, devido à sensibilidade do sensor e a falta de contacto entre componentes, tornava-se difícil obter leituras confiáveis, levando a valores imprecisos e ineficazes, o que comprometia a qualidade do processo de produção. Além disso, notou-se o risco de a tira ficar bloqueada ou arrastrar-se em uma das extremidades do braço, conforme ilustrado na Figura 4.2.1, devido à configuração do protótipo primário. Isto iria levar à alteração da qualidade da tira, pois iria sofrer desgaste através do contacto com o braço da cap-strip.
103 Este fator apenas foi possível de se encontrar aquando da montagem do equipamento da máquina, pois seria de alguma complexidade ter o correto posicionamento da tira no software de modelação utilizado para a criação do protótipo. Isso não apenas atrasava a produção. Mas também exigia modificações no design do protótipo para garantir um funcionamento mais suave. Figura 4.2.1 - Demonstração do curto espaço entre a roda e o braço que inibe contacto da tira com o braço da cap-strip, o que contribuí para o possível desgaste e dano da qualidade da tira. Outro desafio enfrentado foi a qualidade do produto. Após a montagem de cada componente individual para formar o conjunto do protótipo, juntamente com a avaliação realizada na máquina em colaboração com os engenheiros da Continental Mabor, reparou-se em uma baixa rigidez e estabilidade dimensional do protótipo. Consequentemente, este iria apresentar falhas após apenas alguns ciclos de utilização de operação na máquina. Neste ponto de operação do processo, é de demais importância não alterar significativamente o peso, pois isso afetaria o movimento do braço e, por sua vez, a tensão de enrolamento atual da máquina, o que poderia resultar em um enrolamento incorreto das tiras de cap ply. Certos pormenores acentuariam a peça para algo mais robusto. Substituir a porca por um freio de um lado e do outro (entre o guia e a parede de suporte). Tubo de teflon que veio não estava nas melhores das condições. Falta de uso de rolamentos na roda, para permitir uma rotação mais suave. Utilização de freios no eixo de rotação da roda para impedir o movimento translativo do mesmo. Portanto, é imperativo reconsiderar a localização de medição para evitar estes problemas destacados e aprimorar a eficiência do processo. A solução proposta consistiu na alteração do local de medição para a área da máquina após o setor de resfriamento das tiras. Esta mudança estratégica permitiria o controlo da tensão das tiras antes de cada motor de frenagem, o que era exatamente o objetivo a ser alcançado, permitindo ajustes na
110 Tabela 4.4 - Descrição dos componentes utilizados para o protótipo 2. (Continuação) Componentes + Descrição Ilustração Braço O braço será utilizado como uma ponte de conexão entre o suporte da roda e o anel, constituindo um dos pontos principais para a atuação da célula de carga. Isso ocorre porque é no furo da face superior que será estabelecido o contato entre a célula de carga e o parafuso, ver figura abaixo. Material: Aço Suporte da Roda Este suporte assemelha-se ao utilizado na construção do protótipo 1. Neste exemplo optou--se por fabricar três placas individuais (duas de 3 mm de espessura e outra com 5 mm) e uni-las por um parafuso e duas cavilhas. Material: Aço
111 Tabela 4.4 - Descrição dos componentes utilizados para o protótipo 2. (Continuação) Componentes + Descrição Ilustração Roda Neste caso será utilizada a mesma roda que à presente na cap-strip. Material: Alumínio Suporte do veio Este componente é responsável por fixar todo o protótipo à estrutura de fixação presente na cap-strip, ver Figura 4.2.2. Além disso, atua como ponto de ancoragem para o veio que possibilita a rotação dos demais elementos em torno dele. Material: Aço Veio Este componente funcionará como o eixo de rotação para o suporte da célula de carga e o braço. Ambos esses elementos podem ser deslocados ao longo do eixo para permitir a medição da tensão em cada tira. Material: Aço
112 Tabela 4.4 - Descrição dos componentes utilizados para o protótipo 2. (Continuação) Componentes + Descrição Ilustração Suporte da célula de carga A superfície superior deste componente atua como um ponto de restrição para qualquer movimento ascendente da célula. Os três orifícios em cada arco serão utilizados para fixar parafusos que entrarão em contato com o veio, impedindo qualquer rotação em torno desse eixo. Material: Aço Eixo da roda Utilizado para permitir a rotação da roda. Em cada uma das cavidades serão colocados uns freios de 8 mm de diâmetro para restringir a roda aquele espaço. Material: Aço Célula de carga Para a montagem do equipamento foram utilizadas peças normalizadas, encontradas no catálogo da McMaster-Carr .
113 Figura 4.2.7 - Catálogo da McMaster-Carr utilizado para adquirir as diferentes peças standard necessárias para o projeto. 4.2.3. ASSEMBLAGEM DOS COMPONENTES Cada componente foi cuidadosamente projetado para se encaixar de forma eficiente, simplificando assim a montagem do conjunto. Além disso, foi considerada a facilidade de integrar o protótipo na capstrip, visando evitar danos ao equipamento existente. Este cuidado extra foi tomado para garantir uma transição suave e sem problemas durante o processo de montagem, preservando a integridade do equipamento atual. A Figura 4.2.8 exibe o protótipo completo, com a montagem de todos os componentes, enquanto a Figura 4.2.9 ilustra a sua assemblagem na cap-strip. Figura 4.2.8 - Assemblagem de todos os componentes do protótipo final.
114 Figura 4.2.9 - Assemblagem do protótipo final na cap-strip. A montagem do protótipo na estrutura de fixação da cap-strip foi realizada com meticulosidade e precisão para garantir uma integração perfeita e eficiente. Cada componente foi cuidadosamente posicionado e fixado. Após a montagem completa do protótipo, foram realizados testes preliminares para verificar a estabilidade e o funcionamento correto da montagem. Quaisquer ajustes ou correções necessárias foram feitos para garantir que o protótipo estivesse firmemente fixado e pronto para as etapas subsequentes de teste e análise. A Figura 4.2.10 e Figura 4.2.11 demonstram a assemblagem do protótipo na cap-strip.
115 Figura 4.2.10 - Visão frontal do protótipo na cap-strip. Figura 4.2.11 - Visão posterior do protótipo na cap-strip. Devido a um atraso por parte da empresa responsável pela fabricação de alguns componentes, verificou-se a necessidade de proceder a ajustes no processo de produção. Para minimizar o impacto deste atraso e garantir a continuidade dos testes, tomou-se a decisão de encomendar as peças disponíveis antecipadamente.
116 No entanto, essa decisão resultou em algumas diferenças entre os componentes recebidos e os desenhos originais, principalmente em termos de furações. Para contornar estas discrepâncias e assegurar que os testes não fossem prejudicados, optou-se por realizar a soldagem de alguns dos componentes diretamente nas instalações da Continental. Este ajuste no processo foi fundamental para evitar atrasos adicionais e permitir que os testes fossem conduzidos conforme o cronograma previsto. Uma vez que foi produzido apenas um protótipo para a medição de uma única tira, são necessárias certas adaptações para realizar medições simultâneas em várias tiras. Para tal, é requerido a modificação do comprimento do braço. A Figura 4.2.12 ilustra a disposição de dois protótipos lado a lado. É essencial ajustar a inclinação do protótipo de menor comprimento de forma a garantir o alcance até à tira. Figura 4.2.12 - Possível configuração de dois protótipos colocados lado a lado (Versão simplificada do protótipo). 4.2.4. TESTES Após a montagem do equipamento na máquina, com a assistência de um engenheiro e de um técnico da máquina, procedeu-se à montagem do sistema elétrico, que permitiria a leitura dos valores medidos pela célula de carga num monitor. Apesar da montagem ter sido relativamente simples e sem complicações, surgiram alguns problemas inesperados. Conforme mencionado na Tabela 4.3, diferentes intervalos de leitura podem ser obtidos, dependendo da configuração utilizada no pin out do amplificador e da carta – KL3002, Figura 4.2.13.
117 Na Figura 4.2.14, encontra-se o amplificador utilizado no processo de testagem. O pinout pode ser encontrado na parte inferior da etiqueta do amplificador. Para determinar quais cabos (de diferentes cores) conectar ao pinout , foi necessário fazer a leitura do valor de voltagem em cada pino e identificar a correspondência com a cor específica do cabo. Figura 4.2.13 - Carta KL3002 utilizada na conexão ao PLC da cap-strip. Figura 4.2.14 - Amplificador 5039A da empresa KISTLER. Inicialmente, ao tentar obter uma leitura no intervalo de 0 a 0.03 kN, ocorreu um erro de leitura no equipamento, impossibilitando a obtenção de valores. Como solução temporária, foi necessário ajustar a configuração para o intervalo de leitura até 3000 N. Através desta configuração o monitor já apresentava um gráfico corresponde aos valores da tensão que estavam a ser medidos. Apesar disso, os valores apresentados eram pouco visíveis devido à escala inadequada para os valores de tensão tão baixos da tira de cap ply. Apesar de não ser possível registar valores plausíveis, verificou-se que o equipamento estava funcional e capaz de medir a tensão, ao longo do processo de enrolamento da tira. Para tentar obter resultados, a célula de carga foi montada num ambiente semelhante ao da máquina, mas numa sala de testes. Para verificar se a célula de carga estava a fazer a leitura corretamente, o protótipo era apertado através do fecho de uma mão. Os gráficos da Figura 4.2.15 e Figura 4.2.16 demonstram essa leitura para os dois intervalos de leitura mencionados anteriormente. Através dos altos e baixos, é percetível quando o equipamento estava a sofrer pressão pelo fecho da mão. É importante ressaltar que esses gráficos servem apenas para ilustrar o funcionamento geral da célula de carga e não estão diretamente relacionados com a tensão na tira de cap ply.
118 Figura 4.2.15 - Leitura de valores de tensão aleatórios realizados na sala de testes com o propósito de ver se a célula de carga e todo o sistema envolvente funcionava. Intervalo de leitura é de 0 – -3 kN. Figura 4.2.16 - Leitura de valores de tensão aleatórios realizados na sala de testes com o propósito de ver se a célula de carga e todo o sistema envolvente funcionava. Intervalo de leitura de 0 – 0.03 kN. Infelizmente, devido a restrições contratuais, não é possível compartilhar fotografias do funcionamento da célula de carga na cap-strip, do monitor e do sistema elétrico. Apenas foi possível mostrar, como já mencionado anteriormente, o seu posicionamento na estrutura de fixação.
119 4.2.5. CUSTO DO EQUIPAMENTO O custo do equipamento dependerá principalmente do custo da célula de carga e dos amplificadores, uma vez que são os componentes mais dispendiosos. Além disso, devemos considerar o custo de produção de cada componente do protótipo e de outros elementos elétricos. Dado que o custo de produção dos componentes não foi divulgado, iremos apenas considerar o custo do equipamento proveniente da empresa KISTLER. Para a Continental Mabor, uma célula de carga tem um custo de 2600 euros e um amplificador custa 1200 euros. Assim, uma vez que serão necessários 16 protótipos para os 16 rolos da máquina, o custo total deste equipamento deverá rondar os 60 800 euros. Este valor consta para uma só Cap-strip. Sendo que plano é controlar a tensão em cada máquina, terá de se multiplicar este valor pelo número total de Cap-strips na fábrica. Multiplicando os 60 800 por 3 (número de máquinas), acabamos com um orçamento de 182 400 euros para a implementação total deste projeto.
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
142
143
144
145
146
147
148