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quarta-feira, 1 de fevereiro de 2017


Olá pessoal, neste site quero compartilhar um pouco do que aprendi estudando engenharia elétrica e também outras experiencias como desenhar no computador usando softwares gratuitos (Google Sketchup e o Blender) bem como mostrar alguns processos industriais que fazem a transição entre a criação de um produto no computador através de suas informações geométricas até a produção.

A CNC
 As máquinas usadas para trazer para o mundo real um objeto de geometria complexa feita no computador são chamadas de maquinas CAM (Computer-aided manufacturing). Entre estas máquinas a mais usada é a CNC (computer numeric control). Primeiro desenhamos o produto em uma folha de papel depois passamos para o computador, em seguida criamos um molde com a CNC que poderá ser feito de isopor, clay, gesso,  massa plástica ou madeira e, por fim, este molde ganha vida através de vários processos dependendo dos materiais usados na fabricação dos produtos finais. Este desenho feito no Blender e estes vídeos mostram o que é uma máquina CNC. 


A CNC é um braço mecânico que possui uma ferramenta na sua extremidade cujas coordenadas são controladas por sua programação interna. No caso da máquina destes vídeos e fotos, a ferramenta é uma fresa CNC. Mas poderia ser uma solda ou cortadora à laser bastaria trocar a ferramenta e a programação. Esta maquina lê e interpreta um arquivo (geralmente gcode ou stl) e corta o material (madeira, alumínio, aço ou isopor) conforme a geometria planejada no computador criando assim a peça final ou um molde. Depois de fazer o molde podemos fabricar a peça final de fiberglass através do processo de laminação, por exemplo. 

O fiberglass
 O fiberglass é um material usado na fabricação de diversos produtos: barcos, piscinas, carrocerias de carro, ônibus, caminhões, aeromodelismo, VLT's e etc. O fiberglass é um plastico reforçado composto por resina poliéster e tecido de fibra de vidro. 99% dos barcos, iates e cruzeiros são feitos com este material. A resina poliéster é liquida mas após a adição de um catalizador ocorre uma reação de polimerização em cerca de 2 horas. Este é o tempo que temos para trabalhar a resina para que ela se conforme ao molde antes da solidificação. O tecido de fibra de vidro serve para dar mais resistência mecânica para o composto da mesma forma que a brita fornece reforço estrutural para o concreto (cuja matriz é composta por cimento areia e água). No fiberglass, a resina é a matriz e o tecido é o reforço.

A laminação pode ser feita a mão onde primeiro é colocada uma camada de desmoldante sobre o molde (desmoldante PVA ou cera) e depois são intercaladas uma camada de resina e outra de fibra quantas forem necessárias para que a peça tenha a espessura desejada. Algumas empresas comercializam estes produtos no Ebay ,  Aliexpress e no Mercado livre. A resina poliéster, por exemplo, é vendida a kg e deve custar em torno de R$ 23,00 e a fibra de vidro é vendida por metro quadrado e custa + ou - R$ 10,00. Estes materiais também são usados no cinema para criação de objetos, cenários e personagens.

Vale ressaltar que tanto a fibra de vidro quanto a de carbono são vendidas em diferentes gramaturas que podem ir de 30g/m2 até 600g/ m2. Claro que quanto mais fibras, mais caro e mais resistente é o tecido. Também existem as mantas de fibra de vidro que são até  2 vezes mais baratas que os tecidos. A principal diferença entre a manta e o tecido é a orientação das fibras. Nos tecidos elas são tramadas geralmente em 2 direções. Nas mantas elas são jogadas aleatoriamente e unidas por uma resina. Como consequência, os tecidos são mais anisotrópicos que as mantas, ou seja, tem resistência mecânica (tração) maior na direção das fibras. Mantas são mais usadas em moldes (geralmente mantas finas), caixas d'água, piscinas. A indústria automobilística utiliza estes processos mas eles também são aplicados em fábricas de outros segmentos como a naval, eletrônica etc.

iate de fiberglass

tecido de fibra de vidro



Abaixo seguem alguns desenhos que fiz no Blender:

    







desenhos feitos no Google Sketchup




Desenho desta placa PCB foi gerada pelo software Kicad 
simulador de circuitos e auxiliar de confecção de placa de circuito impresso


 A fibra de carbono é composta de átomos de carbono ligados entre si formando uma cadeia longa como se fossem fios (mais finos do que o cabelo humano).  Estes fios são unidos para formar um tecido. A fim de criar um compósito, este tecido, que é rígido em tensão e compressão, precisa de uma matriz estável para residir e manter a sua forma. A resina epóxi é um excelente polímero com boas propriedades de compressão e de cisalhamento, e é muitas vezes utilizada para formar esta matriz, em que as fibras de carbono fornecem o reforço estrutural. 

A fibra de carbono é cinco vezes mais forte do que o aço, duas vezes mais rígida, mas pesa cerca de dois terços menos. Ela lentamente fez o seu caminho em várias indústrias, substituindo metal em certas aplicações. É um material muito resistente sendo possível fazer quadro de bicicleta e até rodas de carro. Recentemente o BMW i8 substituiu os metais do chassi por fibra de carbono. Já é amplamente usada em carros de formula 1. É muito leve mas cara (cerca de R$ 60,00 o metro quadrado do tecido). A resina epóxi custa R$ 60,00 o quilo e muitas vezes é substituída pela resina poliéster. É claro que as propriedades destes compostos são muito diferentes. 

Embora sejam muito resistentes, tanto os compósitos de fibra de vidro quanto os de fibra de carbono são anisotrópicos, ou seja, sua resistência depende da direção da aplicação da força; se for na mesma direção das fibras então há estrutura para suportar, caso contrario não há muita resistência. Isto ocorre porque elas possuem um diâmetro extremamente pequeno (de ordem micrométrica) e são muito alongadas então a densidade de ligações atômicas na direção longitudinal em um feixe de fibras é muito maior que em qualquer outra direção, aproximando as características de um feixe de fibras às características ideais de uma macromolécula individual. Em outros termos, é como se toda a resistência somada de todas as ligações atômicas do material se concentrassem na direção longitudinal do feixe, conferindo a este uma extrema anisotropia. Uma forma de contornar este problema é fazer peças com geometrias favoráveis para cada aplicação. Por exemplo estruturas tubulares ou em formato de ''T'' distribuem as fibras por muitas direções e tornam a peça com resistência mais uniforme como os metais (isotrópicos).







Carro elétrico


Os carros elétricos são o futuro da indústria automobilística. Muitas empresas do setor estão investindo neste tipo de transporte como a Americana Tesla, a BMW, Jaguar, Audi e tantas outras. A simplicidade da construção deste tipo de automóvel é uma das razões para a produção além de questões ambientais e escassez de recursos naturais como o petróleo.

Para construir um carro elétrico tecnicamente basta ter uma plataforma com 4 rodas, um motor elétrico suficientemente forte (geralmente é usado o motor de indução ou o motor brushless dc), um sistema de armazenamento de energia (geralmente um conjunto de milhares de pilhas do tipo 18650 ou mesmo grandes capacitores), um circuito para o controle de fluxo da energia entre as baterias e o motor (geralmente circuito PWM de ponte h), um sistema de suspensão e de direção. É muito parecido com carrinhos de brinquedo ou bicicletas elétricas em certos aspectos, porém a energia envolvida é muito maior. O motor de indução já existe há muito tempo desde 1888 inventado por Nikola Tesla. Os circuitos de controle de fluxo de energia entre as baterias e o motor já tinham sido desenvolvidos desde 1950 com o aparecimento de transistores de potencia principalmente  mosfets, IGBT’s e outros dispositivos de chaveamento e de circuitos inversores. A grande novidade que permitiu o aparecimento de carros elétricos comerciais a preços acessíveis foi o desenvolvimento de baterias de baixo custo e volume além de grande capacidade de armazenamento, recarga rápida e sem efeito de memoria. Entre estas baterias destaca-se a 18650, desenvolvida pela Panasonic e usada no primeiro carro elétrico popular, o tesla S, empresa do sul-africano Elon Musk.

O sucesso de vendas deste modelo levou outras empresas a participar da corrida pelo desenvolvimento de carros elétricos. Entre estas empresas destacam-se a BMW com o modelo i8, a Jaguar e a Audi. Uma das questões mais importantes para o usuário final é que foram desenvolvidas plataformas de recarga para as baterias por todo o território dos Estados Unidos permitindo que os motoristas se desloquem com baixo custo e sem emitir gases poluentes já que não há combustão.

O Tesla modelo S P100D tem dois motores de indução. O traseiro tem 510 cv e o dianteiro tem 262 cv totalizando 772cv; tem cerca de 6750 baterias do tipo 18650 colocadas no assoalho do carro totalizando 100 kWh energia o que dá uma autonomia de 507 Km; pesa 2350 kg; tem estrutura basicamente de alumínio; acelera de 0 a 100km/h em 2.4s e chega a 250km/h. Por utilizar um motor de indução, não é necessário caixa de cambio porque o controle de torque e de velocidade é feito eletronicamente. 


motores de indução

Projeto de CNC 
 As CNC's mais comuns à venda no Brasil não possuem braço articulado como esta que eu desenhei mas se movimentam nos 3 eixos cartesianos x, y e z. Isto faz a máquina ficar lenta porque ela precisa transformar o movimento de rotação dos motores em translação. Isto requer muitos giros para um pequeno movimento. Geralmente são usados motores de passo para controlar a posição da ferramenta. 

Eu tenho um projeto de CNC com braço articulado com 4 eixos onde os motores não serão de passo e sim servo motores (motores com controle angular) comandados pelo microcontrolador Arduíno. O material do braço será de aço e fiberglass e o circuito de controle de velocidade será feito com modulação por largura de pulso (PWM).  
CNC com braço articulado

Quanto custa uma fresa CNC?  Varia muito com fatores como dimensões máximas do objeto a ser cortado, precisão, velocidade etc. As mais baratas que encontrei para uso industrial custam R$ 5.000,00. Abaixo coloquei algumas fotos de guitarras que eu fiz utilizando ferramentas elétricas simples tais como tupia, serra, furadeira, retifica e esmerilhadeira mas poderia ter feito em uma maquina CNC. Ela serve não só para criar moldes em isopor mas também para usinar diretamente outros materiais como madeira, alumínio, latão ou até aço por exemplo, basta que os motores sejam suficientemente fortes e sejam utilizadas as fresas adequadas para cada material.       



Pintei este baixo com corantes e resina epóxi incolor mas acho que seria melhor usar anilina a óleo diluída em stain e verniz. Usei também uma lamina de madeira maple flamed canadense.

Resolvi repintar este baixo usando anilina e verniz pu. A lamina de madeira utilizada no corpo da guitarra e do baixo é de origem africana e chama-se movingui frisé. 


Servo motores

Os servo motores são um tipo de motor cujas principais características são o controle angular, ou seja, eles possuem um circuito interno que informa o angulo atual do eixo e também tem elevado torque graças às engrenagens de redução. Os servo motores são utilizados em sistemas onde são necessários precisão de movimentos como em braços mecânicos, robôs (tanto industriais quanto hospitalares usados em cirurgias), CNC's, direção elétrica automotiva, vidros elétricos, teto de carro conversível , assento ajustável e etc.
Imagem relacionada
Os principais componentes deste tipo de motor são:
1) Um motor comum (como um motor D.C. por exemplo)
2) Uma caixa de engrenagens para reduzir a velocidade e aumentar o torque
3) Uma placa de controle
4) Um potenciômetro acoplado ao eixo do motor para informar à placa de controle qual é o angulo atual.

Geralmente estes motores possuem 3 fios externos:  O vermelho é o positivo, o marrom é o negativo e o laranja serve para controlar o angulo do eixo. Este controle por padrão é feito através de um sinal PWM e funciona da seguinte forma:
É enviado um sinal com frequência fixa de 20 em 20ms cuja duração do pulso positivo varia entre 1ms até 2ms. Sendo que quando você envia um pulso com duração de 1ms o angulo do motor será mínimo (0°); se você enviar um pulso com duração de 1.5ms o motor estará no centro (90°) e se for enviado um pulso com duração de 2ms o motor se posicionará no angulo máximo (180°) conforme a figura abaixo:

Resultado de imagem para sinal de controle servo motor

Para controlar um servo motor a partir do Arduíno por exemplo basta utilizar livrarias prontas como a livraria servo.h
Resultado de imagem para como ligar servo motor no arduino
Esta livraria contem funções prontas como por exemplo:
servo.write(90)
Esta função manda o servo motor ir para a posição desejada.
 Um exemplo de código bem simples para teste é este: 
#include <Servo.h> 

Servo myservo;

void setup() 
{ 
  myservo.attach(9);
  myservo.write(90);  // set servo to mid-point
} 

void loop() {} 
É importante dizer que uma vez dado o comando do angulo desejado para o servo motor ele permanece na posição pre estabelecida porque continua recebendo o mesmo sinal na placa de controle. Isto significa que se houver alguma força externa como a da gravidade por exemplo tentando mover o motor, ele retorna a posição programada. Também existem servos mais fortes como estes dois modelos. Mas o funcionamento é o mesmo, apenas a fonte de alimentação é mais potente. 

Também é possível converter qualquer motor em servo motor, basta acoplar o eixo do motor no potenciômetro e projetar a placa de controle.

 Impressora 3D
A impressora 3D surgiu há alguns anos nos Estados Unidos. Ela pode ser considerada a irmã mais nova da CNC. Quais as desvantagens de uma impressora 3D comercial? A primeira são as dimensões máximas dos objetos. A segunda é que eles sempre são feitos com o mesmo material termoplástico geralmente ABS, PLA ou borracha (TPU). Eles são vendidos como filamentos em carreteis. A grande vantagem é que não há geometria que não possa ser reproduzida por uma impressora 3D já que ela não é uma ferramenta de corte como a fresa CNC. O termoplástico é aquecido até a temperatura de fusão no bico injetor e é depositado em camadas de baixo para cima conforme o desenho feito no computador. 


No principio eu pensei em usar arquivos no formato STL para impressora interpretrar. Os motivos: primeiro os softwares de desenho que eu uso exportam este tipo de arquivo e segundo porque ele tem um protocolo simples de ser entendido. O desenho é convertido em diversos triângulos todos conectados e o arquivo guarda as coordenadas dos vértices. Estes triângulos delimitam onde há material e onde não há. A CNC corta a peça seguindo um caminho  calculado  pela intersecção  destes triângulos e um plano de corte, onde a coordenada z é constante e vai diminuindo do maior valor que a peça alcança até o menor valor informados no desenho. A impressora 3D apenas segue as mesmas coordenadas e deposita o termoplástico fundido. 

                        desenho original                                desenho convertido em triângulos (arquivo stl)

Note que há alguma perda de informação geométrica na conversão do desenho original mas a vantagem é que o arquivo STL é muito menor e muito mais fácil de ser interpretado. Só para ilustrar aqui está um trecho do arquivo que corresponde a este carro (aberto pelo bloco de notas do windows):

solid Exported from Blender-2.78 (sub 0)
facet normal 0.041232 -0.883113 0.467345
outer loop
vertex 0.924947 1.832231 1.183793
vertex 0.824448 1.829974 1.188393
vertex 0.824448 1.824616 1.178269
endloop
endfacet
facet normal 0.024341 -0.777258 0.628711
outer loop
vertex 0.824448 1.824616 1.178269
vertex 0.916418 1.824554 1.174632
vertex 0.924947 1.832231 1.183793
endloop
endfacet 

Lembrando isto é só um trecho (o início). O tamanho do arquivo para este carro é de 412kb. 

Não importa a complexidade do desenho, o arquivo STL não tem surpresas ou exceções. Isto é excelente para o programador. Na primeira linha temos informações sobre o arquivo mas a partir da segunda linha ele segue sempre a mesma sequencia: informa a direção do vetor normal à face do triangulo e depois as 3 coordenadas x, y e z de cada um dos 3 vértices do triangulo.

 Tanto a CNC quanto a impressora 3D costumam usar o algoritmo de "slicing"  (fatiamento).  O desenho convertido em triângulos no arquivo STL é fatiado e procura-se a intersecção entre este plano de corte (z = constante) e o triangulo:


Note que há 2 pontos de intersecção entre cada triangulo e o plano z = constante. Estes pontos formam uma reta. Quando todas as retas de intersecção entre todos o triângulos e o plano de corte forem conectadas obtemos um ou mais polígonos: 



Estes polígonos definem o caminho que a fresa deve seguir para cortar o molde. 

Outra opção que eu considerei recentemente que parece mais fácil de implementar é usar arquivo gcode no lugar de stl. O gcode não representa um desenho mas sim as coordenadas que a fresa deve seguir diretamente bem como a velocidade que ela deve cortar o material em mm/minuto (feed rate). Um arquivo gcode pode ser criado a partir de modelos bidimensionais ou tridimensionais que são inseridos em programas chamados fatiadores (slicers), esses programas analisam o modelo, e então usam de algoritmos para dividir o modelo em camadas individuais e gerar o Código G que será interpretado pela máquina.

No caso dos arquivos stl, o algoritmo base corta cada triângulo com um plano. A interseção desse plano com o triângulo gera o código a ser interpretadoMas qualquer arquivo de desenho pode ser convertido para gcode inclusive aqueles criados no Blender e Google Sketchup basta usar um software especifico para estre fim ou plugins. Neste link temos uma lista de comandos possíveis para o arquivo gcode. E nesta imagem temos um exemplo de código gcode e uma explicação visual do caminho que a máquina faz:

Apesar do código gcode utilizar mais de mil comandos existem alguns mais importantes e, para fins de projeto, implementando apenas  6 deles já é possível ver a máquina trabalhando e interpretando cerca de 90% dos objetos. Por exemplo o código G1 é utilizado em cerca de 90% dos arquivos. Só por curiosidade, o código G1 representa uma reta que deve ser seguida pela maquina.

 Design 

 Acredito que toda pessoa que deseja criar um produto ou construir algo que seja bem feito precisa planejar. A etapa mais importante do planejamento é o desenho não apenas por suas finalidades estéticas mas também funcionais. Nossa inspiração vem da observação do que já existe e a junção disto com os conhecimentos que adquirimos. Assim podemos criar um produto que atenda alguma necessidade ou desejo. Design é uma etapa muito importante da produção porque faz a ponte entre uma ideia que nós construímos a partir destas fontes até a manufatura de um produto real, tangível, útil e bem feito. Por isto eu considero o design uma das etapas mais prazerosas da criação por que há muita liberdade de expressão e arte. Além disto, muitos projetos só serão realizados se forem desenhados. 

Eu não sou designer, nunca fiz nenhum curso de desenho e nunca tive grandes habilidades em desenho à mão livre. Na faculdade apenas aprendi o desenho técnico voltado apenas para desenvolver uma visão espacial 3d usando formas geométricas simples. Mas o desejo de criar produtos usando os conhecimentos de eletrônica e programação foi a motivação para que eu aprendesse a desenhar. Porque nenhum produto pode ser feito apenas com peças eletrônicas. 

Primeiro eu conheci o Google Sketchup e depois o Blender que são softwares de desenho gratuitos. O Google Sketchup é fácil de usar. Eu ainda uso este software para iniciar alguns projetos, exportar e depois terminar no Blender. Nos últimos anos muitos plugins foram criados principalmente para a renderização (como o Vray) tornando o Google Sketchup mais profissional. Assim podemos expressar nossas ideias para construir uma casa, um espaço comercial, um jardim ou um produto que tenham a nossa personalidade e depois passar estas ideias para um profissional ou apenas fazer um desenho para desenvolver a arte. Eu comecei a usar o Blender em janeiro de 2017 mas já consegui desenhar carros, aparelhos eletrônicos e outros objetos apenas assistindo tutoriais no youtube:


A aparência de um produto tem um peso muito importante na decisão do que vamos comprar e também muitas vezes o design é desenvolvido para aumentar a eficiência de um produto. Um designer de automóveis, mesmo que não entenda de aerodinâmica, faz um carro com formas que intuitivamente façam acreditar que o carro sofrerá menor resistência do ar e portanto será mais veloz e terá menor consumo de combustível.



Uma das grandes virtudes de uma pessoa inteligente é saber ligar conhecimentos aparentemente sem conexão. Percebi que se eu ficasse apenas estudando engenharia elétrica não poderia criar muita coisa. Eu estava preso num mundo onde só existia a eletrônica assim eu estava mais limitado. Mas quando comecei a estudar um pouco sobre materiais, design, processos de produção, maquinas industriais e agreguei isto ao que já conhecia (principalmente eletrônica e programação), cada conhecimento adquirido abriu um portal para um novo mundo diante de mim. Acredito que quanto mais conhecimentos podemos ligar mais podemos fazer. Quando falamos sobre inteligencia logo pensamos nas habilidades de guardar e processar informações mas esquecemos da capacidade de ligar conceitos de diferentes áreas. De fato isto foi uma das coisas que eu senti falta durante o período acadêmico: integração de pessoas de diferentes cursos com objetivo comum: fazer um projeto que poderia render um produto ou uma empresa. Imagine o que podem fazer um estudante de design, um aluno de engenharia elétrica e outro estudante de engenharia de materiais juntos, por exemplo. A Bíblia também me ajudou muito nos últimos dias a orientar meus esforços no sentido de fazer mais e me tornar uma pessoa melhor. Ela nos ajuda a questionar nossos hábitos, estilo de vida, propósito, crenças, ética, decisões, conceitos e principalmente comportamento com objetivo de fazer a vida ser mais plena, cheia de significado e que nós possamos chegar mais próximos da nossa melhor versão. Ela foi muito eficiente para tratar a ansiedade. Eu estava muito ansioso para realizar meus projetos e busquei todo tipo de filosofia e tratamento. Vivia preocupado com o amanhã e estava me irritando por qualquer motivo. Li a bíblia online por dois dias procurando o tema ansiedade e senti alivio e luz no meu caminho como há muito tempo não sentia. Vivemos tempos difíceis de muita insegurança quanto à economia e empregos. Por isto indico estes links para leitura:


Não podemos ser pessoas de um projeto só porque se ele falhar ficaremos desorientados e teremos que recomeçar e isto é muito desgastante. Devemos abrir possibilidades e aí decidir o que começar a fazer baseado no que esta mais próximo de ser realizado dentro daqueles projetos que nós construímos e portanto teremos algum prazer em realizar. Todas as nossas ideias devem ser escritas em uma folha de papel porque jamais nascerão prontas e a nossa memoria não foi concebida para guardar tudo o que vamos precisar lembrar.

Dê valor ao conhecimento e depois compartilhe porque você não perderá nada. Assim você ganhará um mundo melhor onde alguém terá acesso a uma informação nova e poderá orientar seus esforços para um caminho que ele não conhecia. Tenha sede de aprender e entenda que você nunca saberá muito.

O blog ainda está em construção.

Quando comecei a escrever este blog em 2017 eu estava tentando encontrar uma fonte de renda online para ser sincero, mas logo percebi que para ter ganhos significativos eu teria que me esforçar mais, postar mais conteúdo e procurar uma forma eficiente de atrair um público maior. Uma das formas que encontrei foi fazendo comentários e colocando um link para o meu blog em videos do youtube com conteúdo relacionado aos assuntos que eu trato aqui.

Se você acha que este blog agregou algum valor, ou conhecimento ou mesmo despertou sua curiosidade considere me apoiar comprando pelo site Aliexpress através dos links no canto superior direito desta pagina ou doando qualquer quantia através do paypal para o email: marciogomes.1982@gmail.com. Qualquer quantia que você doar irá me incentivar a postar mais conteúdo e principalmente realizar projetos que estão no papel como a cnc, a bicicleta elétrica, motor trifásico de indução, motor brusless, alto falante, home theater, guitarra, baixo, violão, gerador de energia com painéis solares ou eólico, entre outros. Desde já eu agradeço a sua contribuição. Neste momento não tenho  dinheiro para comprar as peças e materiais para os projetos. Mesmo não doando eu gostaria de agradecer as visualizações de todos principalmente pessoas de outros países. Saiba que eu fico muito feliz quando vejo pessoas de lugares tão distantes recebendo uma informação através deste blog. Abaixo vou colocar uma figura mostrando as estatísticas de onde vieram as visitas a este site:
Muito obrigado a todos e faça seu país ser representado nas estatísticas!

Gostaria de acrescentar que alguns países não apareceram nas estatísticas totais mas aparecem nas estatísticas mensais como Reino Unido, Holanda, Bélgica, Argentina, Equador, Ucrânia, França, Coréia do Sul e Suécia. Também gostaria de informar que o conteúdo deste blog foi escrito em português e a tradução automática do google translator não é perfeita mas graças a ela é possível alcançar um público tão variado.