pré-projeto gpac
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Universidade Estadual de Santa Cruz – UESC
Departamento de Ciências Exatas e Tecnológicas
Graduação em Engenharia de Produção e Sistemas
GESTÃO DA PRODUÇÃO AUXILIADA POR COMPUTADOR
2012
1
GEORGE WILSON LIMA NOBRE FILHO
NATÃ SILVA SANTOS
UTILIZAÇÃO DE FERRAMENTA CAD PARA CONCEPÇÃO DE UM NOVO
PRODUTO
Projeto apresentado na Disciplina Gestão da Produção Auxiliada por Computador
como requisito básico para obtenção de crédito avaliativo.
Professor: Agnaldo Freire
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ - UESC
Ilhéus-BA
2012
2
CONTEÚDO
RESUMO..........................................................................................................................3
1. INTRODUÇÃO.............................................................................................................4
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA................................................................................6
2.1. Projeto do Produto..................................................................................................6
2.2. Ferramentas.............................................................................................................8
2.2.1. CAD.................................................................................................................9
2.2.2. CAE................................................................................................................10
2.2.3. CAM...............................................................................................................10
2.2.4. CAS................................................................................................................10
2.3. Softwares..............................................................................................................11
2.3.1. SolidWorks.....................................................................................................11
2.3.2. AutoCAD.......................................................................................................12
2.3.3. Proengineer....................................................................................................13
2.3.4. COMSOL.......................................................................................................14
2.3.5. Mathematica...................................................................................................15
3. PROBLEMA...............................................................................................................15
4. PERGUNTA............................................................................................................16
5. JUSTIFICATIVA........................................................................................................16
6. OBJETIVOS................................................................................................................18
6.1. Objetivo Geral.......................................................................................................18
6.2. Objetivos Específicos...........................................................................................18
7. METODOLOGIA........................................................................................................18
8. CRONOGRAMA........................................................................................................21
9. ESTUDO DE CASO...................................................................................................21
91. Descrição do Protótipo...........................................................................................21
10. RESULTADOS E DISCUSSÕES.............................................................................23
10.1. Modelagem 2d AutoCAD...................................................................................23
10.2. Modelagem 3D Solidworks................................................................................23
10.2. Mathematics........................................................................................................25
10.3. COMSOL............................................................................................................31
3
11. CONCLUSÃO...........................................................................................................34
12. REFERÊNCIAS........................................................................................................35
4
RESUMO
ABSTRACT
5
1. INTRODUÇÃO
O desenho e simulação computacional tem sido uma parte essencial para a ciência e
engenharia. Análise digital de componentes, em particular, é importante quando
desenvolvido por novos produtos ou otimização de designs. Hoje este desenvolvimento
de novos produtos tem se tornado um fator de diferencial competitivo para organizações
que buscam se consolidar no mercado. Prova disto é o aumento da concorrência,
estimulada por mudanças tecnológicas e redução do ciclo de vida dos produtos e
aumento na exigência dos consumidores, exigindo das empresas uma maior qualidade e
otimização dos seus processos.
Como ferramenta de auxilio para desenvolvimento desses novos produtos, começaram a
surgir a partir da década de 80, softwares de desenho, manufatura e engenharia
auxiliados por computador, os chamados CAD, CAM e CAE, respectivamente.
O desenho assistido por computador teve grande desenvolvimento na última década. Os
primeiros programas de CAD possuíam apenas algumas funções básicas que permitiam
a realização de desenhos de fabrico bidimensionais de peças com formas pouco
complicadas. Nos últimos anos um enorme salto qualitativo foi dado e atualmente os
programas existentes no mercado, possuem capacidades de modelação tridimensional de
sólidos, obtenção direta dos desenhos bidimensionais para o fabrico, montagem de
conjuntos e interligações a programas para o estudo cinemático/dinâmico, elementos
finitos, maquinação usando CAD/CAM, moldação e estampagem, entre outros.
Hoje estes softwares são cada vez mais utilizados, se consolidaram no mercado de
projeto do produto e tornam-se ferramentas essenciais das mais diversas áreas da
engenharia.
Associada ao desenvolvimento de novos produtos, este projeto tem como conceito a
sustentabilidade visando auxiliar na ação contra alguns dos problemas ambientais que
afetam o planeta, grande parte destes problemas está ligado ao uso irracional de
recursos, como a água e a geração descontrolada de lixo. Diante destas problemáticas, o
desenvolvimento sustentável surgiu devido à necessidade de preservação do meio
ambiente conjugada com a melhoria de vida das populações.
6
Segundo Gleick (1993), a água é parte integral do planeta Terra, é o recurso natural
mais importante e participa e dinamiza todos os ciclos ecológicos; os sistemas aquáticos
têm uma grande diversidade de espécies úteis ao homem e que são também parte ativa e
relevante dos ciclos biogeoquímicos e da diversidade biológica do planeta Terra.
Entretanto, 97% da água do planeta Terra estão nos oceanos e não pode ser utilizada
para irrigação e uso doméstico. Os 3% restantes têm, aproximadamente, um volume de
35 milhões de quilômetros cúbicos. Grande parte deste volume está sob forma de gelo
na Antártida ou na Groelândia. Somente 100 mil km3, ou seja, 0,3 % do total de
recursos de água doce está disponível e pode ser utilizado pelo homem. Este volume
está armazenado em lagos, flui nos rios e continentes e é a principal fonte de suprimento
acrescido de águas subterrâneas.
Outro problema da atualidade é o descarte de lixo – mais especificamente latas de
alumínio – e com a diminuição do custo de energia elétrica possibilitou o
desenvolvimento de um projeto de aquecedor alternativo por reflexão dos raios solares.
Segundo dados do censo de 2000 do IBGE (Instituto Brasileiro de Geografia e
Estatística), no Brasil, 27,5% das pessoas ocupadas ganham entre 1 e 2 salários-
mínimos e 24,4% sobrevivem com menos de 1 salário-mínimo. O desenvolvimento de
projetos que possam de alguma forma reduzir gastos de pessoas de baixa renda resultará
em melhoria na qualidade de vida desses cidadãos.
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. Projeto do Produto
Segundo Semenick e Bamossy (1995), “Produto é um conjunto de atributos tangíveis e
intangíveis que proporciona benefícios reais ou percebidos com a finalidade de
satisfazer as necessidades e os desejos do consumidor”.
Já o guia PMBOK (2008) define projeto como um esforço temporário empreendido para
criar um produto, serviço ou resultado exclusivo. A sua natureza temporária indica um
início e término definidos. O término é alcançado quando os objetivos tiverem sido
atingidos ou quando se concluir que esses objetivos não serão ou não poderá ser
atingidos e o projeto for encerrado, ou quando o mesmo não for mais necessário.
Temporário não significa necessariamente de curta duração. Além disso, geralmente o
7
termo temporário são se aplica ao produto, serviço ou resultado criado pelo projeto; a
maioria dos projetos é realizada para criar um resultado duradouro. Cada projeto cria
um produto, serviço ou resultado exclusivo.
Neste contexto, então se tem a definição de projeto do produto definido por Slack et al.
(1995), como um conjunto de tarefas executadas pelos projetistas, nas quais visam a
atender às necessidades e expectativas do consumidor, segundo a interpretação do grupo
que capta informações do mercado. Os projetistas especificam o produto para que essas
informações sejam, posteriormente, utilizadas para as operações que criam e oferecem o
produto ao consumidor.
De acordo com Kaminski (2000) todos os projetos têm uma característica básica: não se
desenvolvem linearmente, com cada etapa sendo completamente detalhada antes de se
passar para a seguinte. O desenvolvimento de um projeto é interativo, pois cada item
depende de outros para que o sistema como um todo funcione harmonicamente. Assim,
uma imagem que define bem o processo de projeto é a de um espiral (chamado de
espiral de projeto), em que na primeira volta os itens são definidos de forma groseira,
aproximada; essa definição vai ficando mais precisa nas voltas seguintes, até convergir
para a configuração final do sistema (projeto).
Desenvolver produtos consiste em um conjunto de atividades que busca, a partir das
necessidades do mercado, das possibilidades e restrições tecnológicas, chegar às
especificações de projeto de um produto e de seu processo de produção, para que a
manufatura seja capaz de produzi-lo e de acompanhá-lo após seu lançamento (SLACK
ET AL, 1995).
Baxter (2006) estabelece um fluxograma (figura 1) para os princípios do
desenvolvimento de novos produtos:
Figura 1: Fluxograma para o princípio de desenvolvimento de novos produtos
8
O planejamento estratégico deve estabelecer as metas ou missões que devem ser
alcançadas e definindo as estratégias ou ações que deve realizar, para que essas metas
ou missões sejam alcançadas. Segundo Baxter (2006), ainda existem dois tipos de
compromissos envolvidos no planejamento do produto, figura 2.
Figura 2: Fluxograma estratégia de inovação
É freqüente começar a análise dos produtos concorrentes antes da pesquisa de mercado.
Favorecendo a pesquisa de mercado feita posteriormente. As questões podem ser
formuladas de forma mais estruturada e clara, focalizando exatamente aquilo que se
deseja saber dos consumidores potenciais.
O projeto conceitual tem por objetivo de produzir princípios de projeto para o novo
produto, deve ser suficiente para satisfazer as exigências do consumidor e diferenciar o
novo produto de outros produtos existentes no mercado. Especificamente o projeto
conceitual deve mostrar como o novo produto será feito para atingir benefícios básicos.
Para o projeto conceitual, é necessário que o benefício básico esteja bem definido e se
tenha uma boa compreensão das necessidades do consumidor e dos produtos
concorrentes.
É necessário que haja uma análise das funções do produto que é uma técnica descritiva
e poderosa, além de mostrar como os consumidores usam o produto, pode provocar o
aparecimento de novos conceitos interessantes.
É muito importante que a especificação do projeto seja bem feita, para que o novo
produto possa ser desenvolvido corretamente, determinando as qualidades específicas a
serem incorporadas no produto.
9
Resumidamente tem-se que um projeto consiste basicamente em pessoas (e máquinas)
que utilizam tempo, materiais e dinheiro realizando trabalho para atingir determinado
objetivo.
2.2. Ferramentas
Nos atuais contextos de competitividade, as empresas se vêem obrigadas a, cada vez
mais, lançar novos produtos inovadores e atrativos para conquistar os consumidores
cada vez mais exigentes, para isso novas tecnologias e software vem ganhando força
dentro deste mercado de lançamento de novos produtos e sistemas. A exemplo,
Nakamura et. al. 2003, cita os sistemas CAD - (ComputeAided Design), CAE
(Computer Aided Engineer e CAM – (Computer Aided Manufacturing), que em
português corresponde a Projeto Auxiliado por Computador, Engenharia Auxiliada por
Computador e Manufatura Auxiliada por Computador, respectivamente, são ferramentas
que desempenham um papel fundamental para a viabilização de um projeto de produto
em tempos reduzidos, oferecendo oportunidade para simular e reduzir custos na fase de
desenvolvimento do produto.
A utilização de ferramentas CAD / CAE / CAM no processo de desenvolvimento de
produto tem sido cada vez mais sido difundido entre as organizações como um dos mais
importantes auxílios no processo de engenharia simultânea, método que as empresas
tem buscado implementar em função da necessidade de lançar novos produtos no
mercado em tempos cada vez mais reduzidos, garantindo assim um posicionamento
competitivo em tempos de alta competitividade entre as cadeias produtivas, visto que
“estudos mostram que cerca de 80 por cento do mercado de um novo produto é
direcionado às duas primeiras empresas que lançarem este produto.” (BRAZIER, 1990).
Segundo Kao e Lin, 1996, as aplicações CAD/CAM tradicional são baseadas no
ambiente computacional desenvolvido nos idos de 1970 e restrito à aplicações tipo
"single- location". A Tecnologia CAD/CAM foi concebida como uma aplicação "single-
user" e um usuário CAD/CAM pode apenas se comunicar com a unidade de
processamento central (CPU) do seu computador. Passadas mais de quatro décadas a
tecnologia CAD/CAM tem tido um grande sucesso em aplicações industriais tendo
como resultado um significativo aumento na produtividade e competitividade.
10
2.2.1. CAD
O sistema CAD (Computed Aided Design ou Desenho Assistido por Computador) é um
método computacional bastante utilizado na concepção de projetos de Engenharia,
Arquitetura, entre outras. Tal método consiste em um software voltado ao desenho
técnico, reunindo diversas ferramentas destinadas aos mais variados fins.
Nos primeiros anos, a utilização dos softwares de CAD restringiu-se às empresas do
setor aeroespacial e pelas grandes montadoras automobilísticas, como a General Motors,
por exemplo, devido ao alto custo dos computadores exigidos pelos sistemas. Tais
softwares ainda não eram comercializados livremente no mercado, o desenvolvimento
dos mesmos era particularmente voltado à demanda dos referidos setores.
Nos anos que se seguiram até a atualidade, o desenvolvimento de softwares de CAD se
deu de forma generalizada, com ofertas feitas por diversas empresas do ramo. A
tecnologia vem sendo aprimorada a cada dia e com difusão da Internet no final dos anos
90, tal gênero de software tornou-se muito acessível ao redor do mundo, possuindo
versões que podem ser utilizadas de forma gratuita (freewares).
2.2.2. CAE
O sistema CAE (Computer Aided Engineering ou Engenharia Auxiliada por
Computador) é uma ferramenta que analisa e processa cálculo de forma a minimizar
esforços braçais do engenheiro, se preocupando menos com a parte operacional e mais
com a questão estratégica, fazendo do CAE uma ferramenta poderosa para redução de
custos de um projeto e minimização de tempo para o lançamento de um produto.
“CAE é a analise e avaliação do projeto da engenharia usando técnicas computacionais
para calcular operacionalização e funcionalidade do produto e parâmetros da
manufatura muito complexos para métodos clássicos”. [REHG, 1994, 138]
Pode ser utilizado no processo de projeto, analise e níveis de avaliação do produto, ele
verifica o produto referente a sua funcionalidade, encaixes e design, podendo reavaliá-
las; Checa se as necessidades são compatíveis com a capacidade de produção; e reduz
drasticamente o tempo gasto com cálculos operacionais.
11
2.2.3. CAM
O sistema CAM (Computer Aided Manufacturing ou Manufatura Auxiliada por
Computador) consiste no uso de computadores e da tecnologia de informática para
auxiliar em todas as fases de manufatura de um produto, incluindo processos,
planejamento de produção, usinagem, agendamento, gerenciamento e controle de
qualidade. Em função dos benefícios, o projeto auxialiado por computador e a
manufatura auxiliada por computador são freqüentemente combinados em
sistemasdenominados CAD/CAM. Esta combinação permite a transferência de
informações doprojeto para o planejamento da manufatura do produto sem necessidade
de reentrar dadosda geometria do produto manualmente.
2.2.4. CAS
Apesar de não ser um software específico para a área de engenharia, o CAS (Computer
Algebraic System ou Sistema Algébrico Computacional) é um programa que busca
facilitar o cálculo em matemática simbólica, ou seja, através de um CAS, é possível
calcular com a mesma formalidade do cálculo no papel, seguindo-se as mesmas regras,
e, nos CASs mais modernos, utilizando-se das mesmas notações.
Alguns softwares que utilizam destes sistemas são; Mathematica, Maple, Máxima,
Octave, MatLab, Mupad , dentre outros.
O motivo para utilização desta ferramenta no trabalho de desenvolvimento do produto, é
que este tipo de software torna-se bastante útil para resolução de equações diferenciais
parciais (EDP). E neste caso este tipo de equações serão utilizadas para avaliação do
comportamento dos materiais a serem utilizados no painel.
2.3. Softwares
Dentre as ferramentas citadas, o trabalho em questão por se tratar de desenvolvimento
de produto, apenas a plataforma CAD e a CAE, com uma auxilio de uma ferramenta
CAS, será utilizada nesta etapa do projeto e alguns softwares que utilizam destes
sistemas serão citados a seguir.
12
2.3.1. SolidWorks
SolidWorks é um software de CAD (Computer-Aided Design), desenvolvida em 1993
pela SolidWorks Corporation e adquirida em 1997 pela Dassault Systèmes S.A. O
software baseia-se em computação paramétrica, criando formas tridimensionais a partir
de formas geométricas elementares. No ambiente do programa, a criação de um sólido
ou superfície tipicamente começa com a definição de topologia em um esboço 2D ou
3D. A topologia define a conectividade e certos relacionamentos geométricos entre
vértices e curvas, no esboço e externos ao esboço. A Dassault Systèmes SolidWorks
Corp ainda oferece ferramentas de software 3D que permitem que criar, simular,
publicar e gerenciar dados. O foco da SolidWorks na facilidade de uso permite que
engenheiros, projetistas e outros profissionais de tecnologia aproveitem a tecnologia 3D
para aumentar a qualidade aos seus projetos (SOLIDWORKS BRASIL, 2012).
Figura 3: Layout SolidWorks
2.3.2. AutoCAD
Software desenvolvido e distribuído pela empresa Autodesk, Inc., que teve sua primeira
versão lançada em 1982, em Las Vegas a Versão 1.0 na COMDEX. Hoje o AutoCAD
encontra-se na 24ª versão (release 24). É um programa de modelagem 2D e 3D cujas
aplicações são diversificadas, tais como: projetos de engenharia mecânica, civil,
elétrica, urbana, etc; arquitetura; uso em fabricação industrial; climatização de
ambientes (internacionalmente conhecida como HVAC – Heating, Ventilation and Air
13
Conditioning). É importante notar que o AutoCAD é muito utilizado também como
ferramenta em disciplinas acadêmicas que envolvam desenho técnico.
Leite (2010) define o AutoCAD, figura
4, como um programa de CAD
(Computer Aided Draft and Design -
Desenho e Projeto Auxiliado por
Computador - ou somente CAD). Por
sua arquitetura aberta, torna-se um
ambiente ideal para o desenvolvimento
de aplicativos por terceiros, permitindo a
utilização em praticamente qualquer área
de desenho e projeto, tanto como
engenharia, arquitetura, agrimensura,
indústria, científico, design ou qualquer outra aplicação que necessite de desenho e
projeto auxiliado por computador.
Figura 5: Layout AutoCAD
2.3.3. Proengineer
O Pro/ENGINEER é um software desenvolvido pela empresa Parametric Technology
Corporation – PTC. Trata-se de programa de CAD 3D amplamente utilizado em
projetos de sistema mecânicos. Assim como outros softwares do gênero, o
Pro/ENGINEER é, também, uma ferramenta de CAE, possuindo ferramentas de
simulação de condições reais de aplicação, com análise de tensões dos componentes,
14
Figura 4: AutoCAD 2010
entre outros recursos. O software suporta o uso de máquinas CNC, tais como fresadoras
e tornos.
Figura 6: Layout Proenginieer
2.3.4. COMSOL
COMSOL Multiphysics é um software de simulação baseado em plataforma CAE tendo
o pacote de análise e resolução por elementos finitos para várias aplicações físicas e de
engenharia, especialmente fenômenos acoplados, ou multifísicos. O software também
oferece uma ampla e bem gerida interface compatível com o MATLAB e seus
toolboxes que proporcionam uma ampla variedade de possibilidades de programação: o
COMSOL Script. Os pacotes são multi-plataforma para Windows, Mac, Linux, Unix.
Dentro o sistema ainda existem módulos para as mais diversas simulações, como:
AC/DC Module
Material Library
MEMS Module
RF Module
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Figura 7: Layout COMSOL
2.3.4. Google SketchUp
Google adquiriu uma ferramentas de modelação 3D, o SketchUp – considerado como o
lápis do desenho digital. Ao comprar a @Last Software, a Google obteve a versão
profissional do software (que custa 495 dólares) e criou também uma versão gratuita
muito interativa e versátil, sendo capaz de trabalhar em conjunto com o Google Earth.
Desenvolvido para arquitetos, engenheiros civis, produtores de filmes, desenvolvedores
de jogos e outros profissionais relacionados, o SketchUp é um conjunto de ferramentas
para a criação de modelos tridimensionais. Este programa foi pensado para ser mais
intuitivo, flexível e fácil de usar do que programas similares.
Através de vídeos tutoriais, um centro de ajuda, uma comunidade de usuários e suporte
em português, é fácil desvendar as ferramentas do SketchUp e obter ajuda em caso de
dúvidas. Isso permite que qualquer usuário comece a trabalhar e criar modelos em
pouco tempo.
16
Figura 8: Layout Google SketchUP
2.3.5. Mathematica
O Mathematica começou a ser desenvolvido em 1986 por Stephen Wolfram, o qual
lançou a primeira versão em 1988. É uma linguagem de programação que suporta
criação de novas funções e procedimentos – abrindo espaço para a completa edição do
software, para que ele seja modificado de modo a suprir as necessidades do usuário. É
implementada em uma variante do C (orientada a objetos). Neste software, a linguagem
é interpretada por uma kernel (núcleo) que realiza todos os cálculos, tornando o sistema
independente da plataforma que se deseja operar (de fato, existem versões para
Windows, Macintosh e Linux – no mesmo disco de instalação). O Mathematica também
suporta variadas interfaces (JMash, por exemplo), embora a mais comum seja a
interface padrão, já bem completa e com boa receptividade do usuário (servindo tanto
para usuários comuns, como para usuários que realizam cálculos avançados).
17
Figura 9: Layout Mathematica
3. PROBLEMA
Desenvolver novos produtos, sempre foi uma atividade que exigia bastantes recursos,
necessitando de tempo e alto investimento, segundo Nakamura ET. AL. (2003) diversas
características do problema real não podiam ser consideradas, poucas alternativas de
projeto eram analisadas e a utilização de altos coeficientes de segurança resultava em
estruturas superdimensionadas. Com a nova tecnologia o projetista fica liberado do
trabalho braçal, concentrando-se na atividade de projetar com mais criatividade.
Com estes recursos é possível aumentar a capacidade do projetista, melhorar a
qualidade do projeto e a qualidade de comunicação, criar uma banco de dados para
manufatura, entre outras razões [4].
O problema então basea-se em utilizar softwares que auxiliem nestes projetos de novos
produtos, verificando então a viabilidade e os recursos disponíveis e se realmente torna-
se viável a modelagem e simulação por meio de sistemas auxiliados por computador, o
CAM, CAE e CAM.
18
No caso específico deste projeto, o produto em questão trata-se em apresentar por meio
de software uma solução alternativa de um aquecedor solar de baixo custo para as
famílias de baixa renda, buscando a economia de água e um novo destino para o lixo,
principalmente para as latas de alumínio, buscando proporcionar uma melhoria na
qualidade de vida de famílias de baixa. Neste caso, será necessário a modelagem do
painel, em ambiente 2D e 3D e simulações para verificar a viabilidade do projeto.
4. PERGUNTA
Como softwares auxiliados por computador pode auxiliar no desenvolvimento de um
produto?
5. JUSTIFICATIVA
Pesquisa realizada pela ASME International e pela National Science Foundation entre
empresas e universidades americanas, com o objetivo de avaliar quais as características
mais importantes para os novos graduados em engenharia naquele país, demonstrou que
a capacidade de trabalho em equipe e comunicação são os principais aspectos
profissionais no mercado norte-americano (ROMEIRO, 2004).
Tabela 1: Característica mais importante para novos graduados nos EUA
Conforme se pode observar na tabela acima, o conhecimento em CAD tem um fator de
importância de 86%, colocando-o entre os cinco principais itens essenciais de
conhecimento dos novos engenheiros.
A importância de tal sistema pode ser explicado por Nakamura, et. al. (2003) que cita
que sistemas CAD, CAE e CAM auxiliam na diminuição do tempo total despendido
19
desde a concepção do produto até a sua fabricação. Do ponto de vista de engenharia de
projetos, estes sistemas otimizam tempo e qualidade, reduzindo os riscos de falha de
projeto. Atualmente com sistemas cada vez mais desenvolvidos, os engenheiros têm
possibilidade de realizar todo processo de projeto, análise de tensões e simulação de
confecção antes de confeccionar, de fato, a ferramenta. O autor ainda cita que os
recursos de prototipagem rápida estão cada vez mais versáteis e precisos. Hoje é
possível obter uma peça funcional horas após a finalização do projeto no computador.
Então as vantagens e as oportunidades oferecidas pelo sistema CAD, CAE e CAM em
questão são inúmeras, no entanto, tais sistemas requerem alto investimento em
softwares, equipamentos (computadores com boa capacidade e velocidade) e pessoal
especializado.
Em relação às questões ambientais, Sales 2009 estima que uma pessoa que consuma 4l
de gasolina por semana, utilize 250 kWh por mês e gere 2 kg de lixo por dia emite 6,29
t de CO² por ano e deveria plantar pelo menos 32 árvores. Assim é preciso buscar
alternativas energéticas para o presente e futuro das gerações. Outro problema dos
nossos dias é a qualidade da água e sua escassez. A cada um cabe economizá-la e
garanti-la aos nossos descendentes, então pequenas ações se tornarão significativas
muito em breve. Além disso, ainda se tem a preocupação com problemas existentes com
o descarte de lixo – mais especificamente latas de alumínio – e com a diminuição do
custo de energia elétrica possibilitou o desenvolvimento de um projeto de aquecedor
alternativo por reflexão dos raios solares.
Estes problemas ambientais acabam estimulando o surgimento de novas idéias que
buscam minimizar os impactos ambientais e ferramentas computacionais como CAD
(desenho auxiliado por computador), tornam-se recursos indispensáveis para
modelagem de novos modelos, economizando tempo e dinheiro na construção de
protótipos.
O produto a ser desenvolvido é denominado de ASAR (Aquecedor Solar Alternativo
por Reflexão) e está sendo concebido para ser um painel de energia solar instalado no
telhado residencial com a finalidade de aquecer a água do chuveiro elétrico,
substituindo a energia elétrica neste setor.
20
Segundo Fantinelli (2006) o uso desses coletores solares por famílias de baixa renda
permitiria uma redução média de 35% no uso de energia elétrica, correspondendo a uma
redução de 56% a 71% nos gasto com energia elétrica.
Neste projeto a filosofia para a concepção do aquecedor alternativo por reflexão dos
raios solares se baseia na busca de economizar o consumo de energia poupando os
recursos naturais, e do desejo de conforto do usuário.
6. OBJETIVOS
6.1. Objetivo Geral
Utilizar da ferramenta CAD/CAE, para apresentar um novo produto que seja uma
solução alternativa de um aquecedor solar de baixo custo para as famílias de baixa
renda, calculando o rendimento, a eficiência e a potência energética do mesmo, e
verificar como essa ferramenta pode auxiliar no desenvolvimento de um produto.
6.2. Objetivos Específicos
- Modelagem por meio de ferramenta CAD de um painel solar para aquecimento de
água;
- Verificar quais dos softwares CAD, se tornam mais eficiente para modelagem deste
novo produto;
- Utilizar ferramentas CAE para simular e verificar viabilidade da construção do painel.
7. METODOLOGIA
As etapas de desenvolvimento de produto descritas por Baxter (2006) e adaptada na
figura 10:
21
Figura 10: Etapas do processo de desenvolvimento do produto.
O desenvolvimento de produtos deve ter uma abordagem de integração dos vários tipos
de sistemas para suportar o projeto e a operação de inúmeras e complexas atividades de
engenharia colocado por Eversheim & Schernikau, citado por Mundim (2002). Ou seja,
deve ter uma abordagem multidisciplinar. Este desenvolvimento requer também o
trabalho em equipe, a aplicação de práticas simultaneamente e diversos métodos de
desenvolvimento, a fim de projetar melhores produtos. Caso contrário, a fragmentação
dos conhecimentos destas áreas pode trazer sérias conseqüências para as atividades de
projeto, onde a criatividade do projetista pode ser limitada pelo seu alto grau de
especialização Wheelwright & Clark, citado por Mundim (2002).
O processo de desenvolvimento de um produto projetado por engenheiro não difere, em
sua essência, do processo de qualquer outro produto. A diferença está na abrangência da
utilização da ferramenta CAD e CAM para diversos setores de engenharia que o
produto incorpora, tais como: engenharia mecânica, eletrônica e design. A Figura 11 a
seguir mostra, segundo Ulrich (2000), o fluxograma de um desenvolvimento de um
produto até a fase de implementação, no entanto, neste trabalho focar-se-á o processo
até a fase de prototipagem, pois nesta fase a utilização das ferramentas CAD, CAE e
CAM é mais frequente e crucial.
22
Figura 11: Fluxograma de desenvolvimento de produto
Utilizando de uma metodologia CAD-CAE-CAM dentro de um ambiente de projeto na
engenharia, alguns comentários sobre as metodologias adotadas são necessários. A
figura 12 a seguir ilustra de maneira simplificada, duas das metodologias gerais em que
se baseiam os processos de desenvolvimento de produto.
Figura 12: Metodologias para desenvolvimento de novos produtos
Na metodologia do processo de projeto tradicional, a estratégia de desenvolvimento de
produto segue uma seqüência rígida de passos numerados de 1 a 6, com possibilidade de
retornar nos passos 4 e 5, para refinamento do projeto no passo 3. Uma proposta mais
moderna faz o processo de projeto sofrer uma mudança radical de fluxo com adoção do
conceito de Engenharia Simultânea. Nesta metodologia, as atividades e decisões de
projeto são realizadas com os diversos agentes atuando de forma simultânea, integrada e
23
sincronizada no desenvolvimento do produto. O modelo 3D proposto exibe três
atividades que representam a maior parte do processo de projeto com adoção de
Engenharia Simultânea: a concepção, o refinamento e a implementação. Estas fases dos
processos de projetos e fabricação do produto são a base para definir o campo de
atuação do CAD-CAE-CAM dentro do processo de projeto de Engenharia
(NAKAMURA ET. AL., 2003).
O desafio então está em possibilitar a modelagem por meio de ferramenta CAD em um
ambiente paralelo dele e verificar quais benefícios está sendo obtidos com isso. No caso
deste projeto, foi traçada uma metodologia a partir de referencial bibliográfico em que
se inicia com o desenho do modelo por meio de software CAD, em que devido aos
recursos disponíveis e melhor adaptação ao software foi utilizado o SolidWorks, e para
simular a utilização do protótipo foram utilizados dois softwares, o Mathematics e o
COMSOL.
8. CRONOGRAMA
Tabela 2: Cronograma de atividades
9. ESTUDO DE CASO
Como exemplo para utilização da ferramenta CAD para desenvolvimento de novos
produtos, utilizaremos uma proposta multidisciplinar de aplicação da modelagem
matemático-computacional num problema concreto e socialmente relevante: Projetar
um painel solar de fácil construção e baixo custo, que seja utilizado por famílias de
baixa renda.
Este projeto re-utiliza ou re-aproveita principalmente o alumínio, evidenciando a
preocupação com a sustentabilidade e o conceito de reaproveitamento.
Com o nome de projeto ASAR (Aquecedor Solar Alternativo por Reflexão), utiliza-se
de modelagem computacional via Solidworks para desenvolvimento do produto. O
Solidworks foi escolhido por ter uma melhor interface entre computador e usuário. E
utilizaremos do COMSOL para simulação de transferência de calor.
24
91. Descrição do Protótipo
O aquecedor compreende duas partes principais, um coletor de latas de alumínio e um
boiler alternativos ambos alojados sobre o telhado ou lajes das residências. O coletor de
latas absorve a luz solar indiferentemente da posição dos raios solares, pois a reflexão se
dá nas latas de alumínio cortadas ao meio e faz a transferência em forma de calor aos
tubos de cobre. Este calor é mantido através desta caixa fechada e pintada de preto no
fundo com uma tampa de acrílico, ou vidro, na parte superior. O boiler alternativo é
uma caixa d’água comum de plástico revestida em lã de vidro, ou palha de coco, que
recebe a água quente para ser usada quando for conveniente.
A transferência de calor entre dois corpos se dá de três formas: radiação, condução e
convecção. É claro que a transferência de calor pode ser feita de mais de uma forma ao
mesmo tempo. A condução é o princípio de funcionamento do aquecimento solar
convencional encontrado no mercado. O modelo apresentado aqui é diferenciado dos
concorrentes pelo material usado e da facilidade para a construção. No caso deste
modelo, além das três formas anteriores, utilizamos a reflexão de superfície, em forma
de parábola, para concentrar a energia solar em regiões pequenas denominadas de focos
que ficam, por isso, sujeitas as radiações muito intensas. Com esse coletor é possível
conseguir temperaturas bem maiores que os coletores planos.
Esse tipo de coletor não armazena diretamente a energia solar. Ele depende de uma
superfície refletora como uma placa de alumínio do tipo parabólico. Fizemos o uso da
parte interna das latas de refrigerantes ou de cervejas para simular essas superfícies
refletoras. Para construir um coletor parabólico ou então um cilíndrico-parabólico, é
preciso, em primeiro lugar, fazer o molde de uma curva chamada parábola nas latas. É
no foco da parábola que os raios solares são concentrados e por onde colocamos um
cano de cobre.
O princípio de funcionamento do aquecimento solar convencional encontrado no
mercado é bastante simples, baseado na transmissão de calor através dos materiais que
compõem o sistema, composto por dois itens básicos: o reservatório térmico (boiler) e o
coletor solar (placas).
O coletor solar é composto por um vidro na parte superior (serve para proteção e
provocar o efeito estufa, o conjunto mantém a temperatura do sistema), tubo de cobre
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para condução da água, chapa de alumínio enegrecido e revestimento de poliuretano ou
lã de vidro (que ajudam a manter a temperatura).
O boiler serve para armazenar água quente para consumo, fabricado por fora com
alumínio e por dentro com cobre ou aço inox e recebe uma camada de poliuretano
expandido revestindo toda a parede interna do boiler.
O coletor de latas de alumínio (conforme descrito na figura 1) tem dimensões
aproximadas de 1,1m x 0,9m formando uma caixa fechada para manter a temperatura da
água. A água fria vinda da caixa normal instalada nas residências entra no coletor de
latas de alumínio através dos tubos de cobre conectados. Os raios solares se refletem nas
latas de alumínio, figura 3, que por sua vez é direcionado aos tubos de PVC cheios de
água que recebem a energia em forma de calor. O processo se faz independente da
posição dos raios solares, visto que a forma côncava interna das latas de alumínio
permite o recebimento dos raios solares. A chapa de acrílico ou vidro na parte superior e
o compensado enegrecido na parte inferior ajudam a manter a temperatura adquirida no
sistema.
10. RESULTADOS E DISCUSSÕES
10.1. Modelagem 2d AutoCAD
Para iniciar a modelagem do protótipo é necessário estipular os materiais e as repectivas
dimensões:
1. Cantoneira de aço 50x30x1,5mm
2. Latas de alumínio (cerveja ou refrigerante) recortadas ao meio de 6,7cm de diâmetro
e comprimento de 12,4 cm.
3. Cotovelo 90° PVC Ø1/2”
4. Chapa de compensado de 6mm enegrecida
5. Tubo PVC Ø1/2”
6. Placa de acrílico incolor 4mm
7. Tubo PVC Ø1/2” (1,27 cm) para entrada de água.
8. Tubo PVC Ø1/2” (1,27 cm) para saída de água.
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Com as dimensões pré definidas, o desenho do protótipo é feito por meio do software
AUTOCAD, para termos as visões em duas dimensões do painel. As vistas que foram
feitas são as seguintes; vista superior, vista lateral e vista frontal.
10.2. Modelagem 3D Solidworks
Após a modelagem 2D via AutoCAD, foi necessária uma modelagem 3D sendo
necessária a utilização de um outro software, já que o AutoCAD não obteve o mesmo
êxito entre a interface homem máquina obtida durante modelagem 2D. Foi escolhido
um outro software que teve um melhor desempenho para desenho 3D, devido as
diversas ferramentas que o software oferece, dentre elas pode-se citar opções de
diferentes cortes, furos, acabamento e etc.
O resultado pode ser observado nas figuras a seguir.
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Figura 13: Modelagem painel via SolidWorks
Na figura a seguir temos a representação de todo o sistema, neste caso o software
utilizado foi o Google Sketchup que apesar de ser um software sem um reconhecimento
profissional se mostrou uma ferramenta eficaz para simples desenhos em 3D. Neste
sistema, a água já aquecida sai do coletor de latas de alumínio e vai para uma caixa
d’água alternativa (B), preparada com lã de vidro, ou fibra de coco sob investigação,
figura 2. Os usuários da residência podem optar por tomar um banho com água aquecida
usando registro para abrir a saída, da mesma, da caixa térmica ou optar por tomar um
banho na temperatura ambiente usando outro registro para abrir a saída de água da caixa
d’água convencional.
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Em dias nublados e de pouco sol, os usuários podem temperar a água pouca aquecida
ligando o chuveiro elétrico no modo menos quente. Em todo caso, a economia de
energia elétrica ainda é substancial.
Figura 14: Modelagem do sistema de aquecimento via Google SketchUp
A. Caixa d’água residencial contendo água à temperatura ambiente;
B. Caixa d’água residencial contendo água aquecida pelo coletor;
C. Tubo de PVC que liga a caixa d’água A até o coletor solar;
D. Tubo de PVC que liga o coletor solar, até a caixa d’água B;
E. Coletor Solar;
F. Chuveiro Residencial
10.2. Mathematica
A partir destes modelos que foram modelados por meio de ferramentas CAD, a seguir
serão resolvidos uma série de equações que servirão de base para simulação dos
materiais a serem utilizados no painel. Esta simulação será feita por meio do
Mathematica que utiliza de plataforma CAS para executar suas simulações.
Tendo em vista a construção de um protótipo na escala descrita na seção anterior,
vamos calcular a potência, vazão e temperatura necessária para uma boa eficiência. A
mesma é obtida pelo número de painéis solares.
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Para o painel solar, foi necessário calcular o rendimento a partir da eficiência da
absorção da energia radiante pelo fluído, no caso a água, é dado pela equação, total
Onde
(1)
(2)
e
(3)
onde P é a potência instantânea absorvida pela água, c calor específico da água e ∆t é a
variação da temperatura. Ptotal é a potência disponível da radiação global incidente, Isol é
a radiação solar global (W/m²) e A é a área total da superfície que recebe a radiação.
O sol em média transfere uma radiação de 1410 w/m² para a terra, desse valor 19% é
absorvido pela atmosfera, 35% refletido pelas nuvens e 45% seria aproveitado para o
painel solar. Portanto, usando (1), temos que é radiação incidente na latinha e com
ajuda da lei de Stefan-Boltzmann, obtemos a temperatura na latinha. A lei é dada por
, (4)
onde é uma constante que no sistema SI é dada por:
Usando Eq.(4), temos para a temperatura na latinha de . Essa é a temperatura que a
latinha atinge inicialmente. Não estamos considerando a localização geográfica do
painel.
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Figura 15: Detalhe do corte feito na lata de alumínio
A partir destes dados foi calculada inicialmente a potência do painel. Mas, antes vamos
calcular a área da latinha interna , pois é a sua parte interna que reflete a radiação
para o tubo de PVC. A área interna é
onde:
- Ai é a metade da área (interno) do cilindro;
- é a distância que as bordas laterais do cilindro tem para o centro, ou seja, 3,35cm;
- h é a altura do cilindro com 12,4 cm.
Resultando:
Calculado a área para apenas uma latinha, obtemos a potência para a mesma,
Portanto, temos
(5)
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O painel (2 x 1) que será projetado com 77 latinhas de alumínio, com uma potência
total;
ou seja,
Comparando com um chuveiro elétrico em média 5.000 W, temos uma potência 7,8
vezes maior que um painel, ou seja, um rendimento de 12%. Então, 5 painéis seria um
número promissor para uma boa eficiência comparado ao chuveiro elétrico de baixa
potência de 3700 W (Tabela INMETRO). Portanto, 5,78 vezes a potência do painel de
latinha.
Por conveniência, uma análise para a vazão é necessário a transformação de Watts, para
Cal/s. Como 1 Watts equivale a 1 Joule/s, então basta dividir o valor do Watts por 4,18,
portanto
No cálculo da vazão (2), vamos obter o acréscimo da temperatura para vazão de
100g/s, em média, para um chuveiro.
Com resultado
Essa temperatura é o ganho que a água tem a cada segundo.
No caso do chuveiro elétrico, de baixa potência, essa elevação na temperatura é 8,85 oC.
Mais uma vez, para atingir uma eficiência de um chuveiro elétrico precisamos de 5,52
vezes a temperatura do painel. Isso é atingido com a construção de 5 painéis.
Um resultado interessante é sobre o comportamento da temperatura no painel. Usamos a
equação da condução do calor dada por:
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, (6)
onde , sendo é condutividade térmica, c o calor específico e é a densidade de massa.
No caso do nosso painel fizemos uma aproximação por um placa de comprimento 2 m
por 1 m com faces isoladas e seus lados mantidos a 0 oC. Para um temperatura inicial
qualquer To , a solução da eq. (6) para duas dimensões é dado por
Se a temperatura inicial, dada pela eq. (4), for de 52,21 oC, podemos mostrar nos
gráficos a seguir, o comportamento da temperatura com o tempo dos materiais usados
na construção do painel como alumínio, PVC e a madeira. Portanto, temos:
Figura 16. Fluxo de calor para o alumínio na placa solar
Na figura 4, temos um gráfico informando que a dispensão do calor e bem mais rápida
para o aluminio. Então, temos calor sendo trocado com o meio de forma bem rápida
depois de 10 segundos.
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Figura 17. Fluxo de calor para o PVC na placa solar
Na figura 5, temos com consentração de calor por mais tempo para o PVC. Vemos que
depois de 10 segundo, a temperatura se manteve estável. Isso é interessante para troca
de calor com a água, pois essa troca se conserva por mais tempo.
Figura 18. Fluxo de calor para a madeira na placa solar
Na figura 6, observamos praticamente o mesmo efeito que o PVC. A diferença é que a
madeira serve como um acumulador de energia, pois ela é parte da estrutura do painel.
Portanto, o comportamento dos gráficos para os respectivos materias, alumínio, PVC e
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madeira, percebe-se que após o painel receber a incidência solar, que o aluminio perde
parte desse calor e o concentra na região central do painel, enquanto que o PVC e a
Madeira, conservam melhor este calor mantendo a temperatura inicial e distribuindo
este calor por todo o painel de forma gradativa.
10.3. COMSOL
A partir dos parâmetros pré estabelecidos via Solidworks, partiremos para simulação
por meio do COMSOL para verificar a transferência de calor no painel.
O Software em questão disponibiliza de ferramenta CAD para possibilitar o desenho do
produto, também oferece o recurso de importação de geometria de outros programas e
este recurso foi utilizado para que a modelagem da lata pudesse ser simulado via
COMSOL. Após realizar a importação da geometria do SolidWorks, definiu-se o
material (Alumínio), e o tipo de da malha que foi o Tetrahedral. Gerou-se então a
geometria abaixo:
Figura 19: Malha gerada via COMSOL
Entende-se que o problema consiste em um fenômeno de transferência de calor por
irradiação, logo foi escolhida a física Heat transfer, e além dos parâmetros padrões que
já vem inserido automaticamente nesta física, acrescentou-se o Surface-to-Ambient
radiation e o Heat flux. Em relação ao primeiro parâmetro colocou-se a radiação
incidindo perpendicularmente à superfície, e a motivação de se por o segundo, é saber
de que maneira o calor é liberado da lata, nos dando então o que queremos, que é a
distribuição de temperatura por toda a lata nestas condições descritas.
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Logo, obtêm-se os seguintes resultados:
Figura 20: Resultados da Simulação via COMSOL
Com o resultado da simulação, observa-se que o calor se concentra no foco da lata
conforme havia sido definido por meio das equações do calor.
Na segunda simulação proposta, foram inseridos no modelo o tubo de PVC, a caixa de
Madeira e a cobertura de vidro. Novamente estes materiais foram definido por meio do
COMSOL e logo em seguida definida a malha.
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Figura 21: Definição de nova geometria via COMSOL
Definidos os parâmetros, foi gerada a simulação:
Figura 22: Resultado da simulação via COMSOL
Observa-se que assim como a simulação anterior (em relação à lata), nesta a
concentração de calor também está localizada na região central do tubo de pvc, o que
nos garante uma maior temperatura neste local e consequente aquecimento da água.
11. CONCLUSÃO
O trabalho em questão se mostra de suma importância para uma sociedade que hoje se
preocupa com a qualidade e escassez da água e o destino final do lixo, em especial das
latas de alumínio, que podem ser utilizadas para construção de painéis solares para
aquecimento de água. Estes painéis ajudariam a garantir a sustentabilidade ambiental
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proporcionando a superação da pobreza e desigualdade social, uma vez que seu valor
calculado em torno de R$ 350,00, permitiria as famílias de baixa renda a sua aquisição.
Com os cálculos que foram apresentados, observou-se que um painel composto de 77
latinhas tem uma potencia em torno de 637,23 W, o que para atingir uma potencia
próxima ao de um chuveiro elétrico, necessita de 5 painéis. Em relação ao estudo dos
materiais, o alumínio perdeu parte do calor e manteve a concentração deste no centro do
painel, enquanto o PVC e a madeira conseguiram conservar melhor o calor e distribuí-lo
pelo painel.
Nosso estudo procurou simular todos os parâmetros físicos envolvidos na construção do
painel solar. Observamos que um painel construído com materiais proposto é viável,
mas com a limitação de no mínimo de 5 painéis com 77 latinhas de alumínio para uma
área de 2m por 1m.
Vimos que conseguimos uma temperatura, comparada ao chuveiro elétrico, para
aquecimento de água usando um número de 5 painéis.
Por último, usando a equação da condutividade térmica, obtemos o efeito da
temperatura com relação ao tempo nos materiais proposto, visando uma melhor
eficiência do projeto para o uso geral.
12. REFERÊNCIAS
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Ano 1, no 2, Jun de 2003.
PMBOK. (2008). Um guia do conhecimento em gereciamento de projetos.
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Raleigh. Creative Minds for Global Sustainability. raleigh : North Carolina State
University, 2009.
SEMENICK, RICHARD; BAMOSSY, GARY. Princípios de marketing: uma
perspectiva
SLACK, N. et. al. Administração da produção. São Paulo: Atlas, 1995.
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