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O USO DA DIGITALIZAÇÃO TRIDIMENSIONAL A LASER … Science/Texture_analysis_by_3D... · LISTA DE TABELAS ... Fonte: Incropera & DeWitt (1998).....44 Figura 21 - Rugosidade superficial

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  • MINISTRIO DA EDUCAO

    UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

    Escola de Engenharia

    Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Minas, Metalrgica e de Materiais-PPGEM

    O USO DA DIGITALIZAO TRIDIMENSIONAL A LASER

    NO DESENVOLVIMENTO E CARACTERIZAO DE TEXTURAS

    APLICADAS AO DESIGN DE PRODUTOS

    Fbio Pinto da Silva

    Dissertao para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia

    Porto Alegre

    2006

  • II

    MINISTRIO DA EDUCAO

    UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

    Escola de Engenharia

    Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Minas, Metalrgica e de Materiais-PPGEM

    O USO DA DIGITALIZAO TRIDIMENSIONAL A LASER NO DESENVOLVIMENTO

    E CARACTERIZAO DE TEXTURAS APLICADAS AO DESIGN DE PRODUTOS

    Fbio Pinto da Silva

    Engenheiro Mecnico

    Trabalho realizado no Departamento de Materiais da Escola de Engenharia da UFRGS, dentro

    do Programa de Ps-Graduao em Engenharia de Minas, Metalrgica e de Materiais -

    PPGEM, como parte dos requisitos para a obteno do ttulo de Mestre em Engenharia.

    rea de Concentrao: Cincia e Tecnologia dos Materiais

    Porto Alegre

    2006

  • III

    Esta Dissertao foi julgada adequada para obteno do ttulo de Mestre em Engenharia, rea

    de concentrao Cincia e Tecnologia dos Materiais e aprovada em sua forma final, pelo

    Orientador e pela Banca Examinadora do Curso de Ps-Graduao.

    Orientador: Prof. Dr. Wilson Kindlein Jnior

    Banca Examinadora:

    Prof. Dra. Regina de Oliveira Heidrich

    ICET / FEEVALE

    Prof. Dr. Joyson Luiz Pacheco

    FENG / PUC-RS e PROMEC / UFRGS

    Profa. Dra. Liane Roldo

    DEMAT / UFRGS

    Prof. Dr. Antnio Cezar Faria Vilela

    Coordenador do PPGEM

  • IV

    AGRADECIMENTOS

    A todos que colaboraram direta ou indiretamente para a realizao deste trabalho,

    bem como queles que simplesmente acreditaram em mim.

    Ao meu orientador desde 2000, quando entrei como IC no Laboratrio de Design e

    Seleo de Materiais - LdSM (na poca Ncleo de Design e Seleo de Materiais - NdSM),

    professor Wilson Kindlein Jnior.

    A toda a equipe do LdSM, onde encontra-se grande astral para trabalhar, em especial

    aos bolsistas Felipe Ferreira Luz pela ajuda nas digitalizaes e Samuel Henrique Freese pela

    ajuda na programao PHP.

    Aos rgos de fomento CAPES, FINEP e CNPq pelo apoio financeiro aos projetos

    de pesquisa que permitiram a realizao deste trabalho.

    empresa Tecnodrill pelo uso do software Geomagic Studio e ao professor Joyson

    Pacheco pelos padres de rugosidade.

    A meus pais, por tudo.

  • V

    SUMRIO

    LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................ VII LISTA DE TABELAS .............................................................................................................. X RESUMO .................................................................................................................................XI ABSTRACT ..........................................................................................................................XIII INTRODUO........................................................................................................................15 1. REVISO BIBLIOGRFICA.........................................................................................22

    1.1. As texturas e a subjetividade ....................................................................................22 1.2. Texturas, Rugosidade e suas aplicaes ...................................................................25

    1.2.1. Aspectos econmicos .......................................................................................26 1.2.2. Tolerncias .......................................................................................................27 1.2.3. Tribologia - Atrito, desgaste e lubrificao......................................................28 1.2.4. Fadiga e Corroso.............................................................................................35 1.2.5. Escoamento de Fluidos.....................................................................................38 1.2.6. Transferncia de Calor......................................................................................42 1.2.7. Propriedades ticas ..........................................................................................47

    1.3. Normas Tcnicas para Rugosidade...........................................................................49 1.4. Parmetros de Rugosidade .......................................................................................52

    1.4.1. Parmetro Ra - Desvio aritmtico mdio do perfil de rugosidade ...................61 1.4.2. Parmetro Rq - Desvio mdio quadrtico do perfil de rugosidade...................62 1.4.3. Parmetro Rz - Altura mxima do perfil de rugosidade...................................63 1.4.4. Parmetro Rt - Altura total do perfil de rugosidade .........................................65

    1.5. Medio de Rugosidade............................................................................................66 1.6. Digitalizao Tridimensional a Laser.......................................................................70 1.7. Texturas x Materiais x Processos de Fabricao......................................................80

    1.7.1. Moldagem por injeo......................................................................................87 1.7.2. Moldagem por sopro.........................................................................................91 1.7.3. Termoformagem ...............................................................................................93 1.7.4. Extruso............................................................................................................95 1.7.5. Laminao ........................................................................................................95 1.7.6. Usinagem..........................................................................................................96

    2. MATERIAIS E MTODOS.............................................................................................98 2.1. Digitalizao Tridimensional a Laser.......................................................................98 2.2. Padres de Rugosidade...........................................................................................103 2.3. Seleo das variveis de processo para a digitalizao ..........................................104 2.4. Digitalizao dos Padres de Rugosidade ..............................................................107 2.5. Superfcies Tridimensionais ...................................................................................116 2.6. Desenvolvimento de texturas .................................................................................116

    2.6.1. Digitalizao...................................................................................................117 2.6.2. Processamento ................................................................................................119 2.6.3. Parametrizao ...............................................................................................121 2.6.4. Gerao de arquivos .......................................................................................125

    3. RESULTADOS E DISCUSSES..................................................................................126 3.1. Digitalizao dos Padres de Rugosidade ..............................................................126

    3.1.1. Resultados do parmetro Ra...........................................................................129 3.1.2. Resultados do parmetro Rz...........................................................................136

    3.2. Superfcies tridimensionais.....................................................................................142 3.3. Banco de Texturas ..................................................................................................145

  • VI

    3.4. Estudos de caso.......................................................................................................148 3.4.1. Textura couro de cobra ...................................................................................148 3.4.2. Textura couro de arraia...................................................................................152 3.4.3. Textura palha de milho ...................................................................................154

    4. CONCLUSES..............................................................................................................158 4.1. Sugestes para trabalhos futuros ............................................................................160

    REFERNCIAS .....................................................................................................................161 APNDICE A ........................................................................................................................167

  • VII

    LISTA DE FIGURAS

    Figura 1 - Propriedades sensoriais (subjetivas) e propriedades tcnicas (objetivas)................25 Figura 2 - Processos de acabamento superficial em relao a seu tempo de obteno ............26 Figura 3 - Tolerncias e Rugosidade Superficial. Fonte: Ferrante (1996). ..............................27 Figura 4 - Mapa de seleo de processos de fabricao: tolerncia x rugosidade superficial..28 Figura 5 - Atrito e Rugosidade para ligas de cobre. Fonte: Rabinowicz (1965). .....................30 Figura 6 - Atrito e Rugosidade para vrias superfcies. Fonte: Sviridenok (1996). .................30 Figura 7 - Sistema Tribolgico. Fonte: Balzers (2005). ...........................................................31 Figura 8 - Desgaste adesivo. Fonte: Mendes (2006). ...............................................................32 Figura 9 - Lubrificao (a) Pelcula Fina, (b) Mista, (c) Limite. Fonte: Mendes (2006). ........33 Figura 10 - Atrito em funo da velocidade. Fonte: Rabinowicz (1965). ................................34 Figura 11 - Rugosidade e lubrificao. Fonte: Gonzlez (1998)..............................................34 Figura 12 - Nucleao de fadiga, intruses e extruses na superfcie......................................35 Figura 13 - Utilizao de raios ao invs de entalhes para minimizar a fadiga. ........................36 Figura 14 - Fator de reduo do limite de fadiga devido a vrios tratamentos superficiais. ....37 Figura 15 - Escoamento laminar e turbulento sobre uma placa plana......................................38 Figura 16 - Separao da camada limite em uma esfera; (a) laminar e (b) turbulenta.............40 Figura 17 - Bolas texturizadas; (a) golfe e (b) futebol. Fonte: Rubini & Aguiar (2004). ........40 Figura 18 - Ventilador com hlice texturizada. Fonte: Sharkoon (2005).................................41 Figura 19 - Modos de transferncia de calor: conduo, conveco e radiao. .....................42 Figura 20 - Resistncia trmica de contato. Fonte: Incropera & DeWitt (1998)......................44 Figura 21 - Rugosidade superficial e transmisso de calor. Fonte: Gonzlez (1998). .............44 Figura 22 - Perfis de velocidade para escoamento laminar e turbulento..................................45 Figura 23 - Formao de stios de nucleao. Fonte: Incropera & DeWitt (1998). .................46 Figura 24 - Radiao trmica; (a) absoro em uma cavidade com temperatura uniforme; ....47 Figura 25 - Superfcies texturizadas com aplicaes ticas, ....................................................48 Figura 26 - Perfil de superfcie. Fonte: NBR ISO 4287 (2002). ..............................................53 Figura 27 - Perfil geomtrico, real e efetivo. Fonte: Silva (2002). ..........................................54 Figura 28 - Desvios de superfcie; (a), (b), (c) e (d) 1, 2, 3 e 4 ordens respectivamente;....55 Figura 29 - Filtros para os perfis de rugosidade e ondulao. Fonte: NBR ISO 4287 (2002). 56 Figura 30 - Algoritmo para o procedimento de filtragem ........................................................56 Figura 31 - Perfis de rugosidade e ondulao de acordo com o filtro c utilizado. .................57 Figura 32 - Perfil medido e perfil nivelado. Fonte: Mummery (1992).....................................58 Figura 33 - Comprimentos de amostragem; (a) perfil primrio, (b) perfil de rugosidade........59 Figura 34 - Elemento do perfil. ................................................................................................59 Figura 35 - Representao grfica do perfil indicando o parmetro Rz...................................64 Figura 36 - Representao grfica do perfil indicando o parmetro Rt....................................65 Figura 37 - Escalas de rugosidade e sua influncia na frico. Fonte: Myshkin (1998). .........66 Figura 38 - Principais mtodos de medio de rugosidade e suas faixas de operao.............67 Figura 39 - Comparao entre o perfil real e o perfil medido com um apalpador. ..................68 Figura 40 - Efeito de uma ponta danificada sobre um perfil. ...................................................69 Figura 41 - Comparao entre perfil medido (a) com apalpador e (b) atravs de laser. ..........70 Figura 42 - Princpio de operao do sensor conoscpico a Laser. Fonte: Optimet (2005).....71 Figura 43 - Aplicao da digitalizao Tridimensional na Engenharia Reversa......................73 Figura 44 - Aplicao de filtro para reduo de rudo na superfcie. Fonte: Freitas (2006). ...73 Figura 45 - Registro de nuvens de pontos por sobreposio de pontos....................................76 Figura 46 - Registro de nuvens de pontos atravs de esferas de referncia. ............................76 Figura 47 - Pingente com a imagem de Nossa Senhora do rosrio. .........................................77 Figura 48 - Salto de sapato feminino, (a) modelo fsico em lato e (b) modelo virtual. ..........78

  • VIII

    Figura 49 - Determinao do centro de massa de um dinodontossaurus. ................................78 Figura 50 - Seces do modelo virtual de um dinodontossaurus.............................................79 Figura 51 - Panorama evolutivo dos materiais. Fonte: Silva (2005). .......................................81 Figura 52 - Planta artificial, polmero texturizado imitando folha natural...............................83 Figura 53 - Domin de Texturas. Fonte: Dischinger (2006). ...................................................85 Figura 54 - Relao entre custo relativo por unidade fabricada e produtividade .....................87 Figura 55 - Faixas de presses para moldagem e contrao da pea moldada.........................88 Figura 56 - Condies de processo e contrao do material. Fonte: Morton-Jones (1989). ....89 Figura 57 - Extrao da pea (a) molde com uma gaveta e (b) molde com maior ngulo.......90 Figura 58 - Produto texturizado obtido por injeo de ABS, componente da industria...........91 Figura 59 - Sadas de ar no molde de sopro. Fonte: Polisul (1995). ........................................92 Figura 60 - Frasco texturizado, PET moldado por sopro. ........................................................93 Figura 61 - Chapas de 1 e 2mm de PS termoformadas. ...........................................................94 Figura 62 - Prottipo usinado em PU. ......................................................................................96 Figura 63 - Usinagem de moldes para injeo. ........................................................................97 Figura 64 - Scanner Tridimensional a Laser modelo Digimill 3D. ..........................................99 Figura 65 - Funcionamento do eixo Z do equipamento CNC Digimill 3D............................100 Figura 66 - Tela de configurao dos parmetros do cabeote Laser. ...................................102 Figura 67 - Tela de configurao dos parmetros do processo de digitalizao. ...................103 Figura 68 - Padres de rugosidade da fabricante Massi (Alemanha). ....................................104 Figura 69 - Anlise de tamanho de partcula para o revelador Metal-chek D-70. .................106 Figura 70 - Procedimentos para a digitalizao dos padres de rugosidade. .........................108 Figura 71 - Tela inicial do programa desenvolvido................................................................109 Figura 72 - Nuvem de pontos aberta em um processador de texto.........................................110 Figura 73 - Ajuste dos pontos digitalizados linha mdia calculada.....................................111 Figura 74 - Processamento da nuvem de pontos para clculo de parmetros de rugosidade. 111 Figura 75 - Exibio de dados no programa desenvolvido. ...................................................112 Figura 76 - Digitalizao do Padro Rz 3,2 m. ....................................................................113 Figura 77 - Digitalizao do Padro Rz 6,3 m. ....................................................................113 Figura 78 - Digitalizao do Padro Rz 10 m. .....................................................................114 Figura 79 - Digitalizao do Padro Rz 20 m. .....................................................................114 Figura 80 - Digitalizao do Padro Rz 40 m. .....................................................................115 Figura 81 - Digitalizao do Padro Rz 80 m. .....................................................................115 Figura 82 - Textura do abacaxi; (a) fruta, (b) detalhe da textura e (c) parametrizao..........117 Figura 83 - Procedimentos para a digitalizao tridimensional a Laser de uma superfcie. ..118 Figura 84 - Filtragem de uma nuvem de pontos.....................................................................119 Figura 85 - Malha de tringulos obtidas a partir da nuvem de pontos. ..................................120 Figura 86 - Processamento da nuvem de pontos obtida atravs da digitalizao 3D a Laser.121 Figura 87 - Repeties do mdulo da textura bolacha do mar (encope emarginata).............122 Figura 88 - Representao de uma imagem monocromtica atravs de mapa de bits. ..........123 Figura 89 - Relevo (a) em escala de cores e (b) em escala de cinzas.....................................124 Figura 90 - Processamento com parametrizao de uma nuvem de pontos digitalizada. ......124 Figura 91 - Perfil obtido do padro Rz 80m, cutoff=2,5mm, escala x=200X y=1000X......126 Figura 92 - Perfil obtido do padro Rz 40m, cutoff=2,5mm, escala x=200X y=1000X......126 Figura 93 - Perfil obtido do padro Rz 20m, cutoff=0,8mm, escala x=600X y=1000X......127 Figura 94 - Perfil obtido do padro Rz 10m, cutoff=0,8mm, escala x=600X y=1000X......127 Figura 95 - Perfil obtido do padro Rz 6,3m, cutoff=0,8mm, escala x=600X y=1000X.....127 Figura 96 - Perfil obtido do padro Rz 3,2m, cutoff=0,25mm, escala x=2000X y=1000X. 128 Figura 97 - Qualidade mnima admissvel x n de pontos adquiridos. ...................................128

  • IX

    Figura 98 - Resultados para o padro Rz 80 (Ra = 20 m)....................................................129 Figura 99 - Resultados para o padro Rz 40 (Ra = 10 m)....................................................130 Figura 100 - Resultados para o padro Rz 20 (Ra = 5,4 m).................................................130 Figura 101 - Resultados para o padro Rz 10 (Ra = 2,2 m).................................................130 Figura 102 - Resultados para o padro Rz 6,3 (Ra = 1,3 m)................................................131 Figura 103 - Resultados para o padro Rz 3,2 (Ra = 0,51 m)..............................................131 Figura 104 - Erro(%) x n de pontos adquiridos para o Ra. .................................................132 Figura 105 - Erro(%) x qualidade mnima admissvel para o Ra. ........................................133 Figura 106 - Resultados para o parmetro Ra em funo das qualidades de 65 a 85.............133 Figura 107 - Erro(%) x qualidade mnima admissvel para nova anlise do Ra. .................134 Figura 108 - Erro(%) x n de pontos adquiridos na nova anlise do Ra...............................134 Figura 109 - Qualidade mnima admissvel x n de pontos adquiridos na nova anlise. .......135 Figura 110 - Resultados para o padro Rz 80 (Rz = 78 m)..................................................136 Figura 111 - Resultados para o padro Rz 40 (Rz = 41 m)..................................................137 Figura 112 - Resultados para o padro Rz 20 (Rz = 20 m)..................................................137 Figura 113 - Resultados para o padro Rz 10 (Rz = 9,8 m).................................................137 Figura 114 - Resultados para o padro Rz 6,3 (Rz = 6,5 m)................................................138 Figura 115 - Resultados para o padro Rz 3,2 (Rz = 3,5 m)................................................138 Figura 116 - Erro(%) x n de pontos adquiridos para o Rz. .................................................139 Figura 117 - Erro(%) x qualidade mnima admissvel para o Rz. ........................................140 Figura 118 - Resultados do parmetro Rz em funo das qualidades de 65 a 85. .................140 Figura 119 - Erro(%) x qualidade mnima admissvel para nova anlise do Rz. .................141 Figura 120 - Erro(%) x n de pontos adquiridos na nova anlise do Rz...............................141 Figura 121 - Avaliao tridimensional da superfcie do padro Rz 80. .................................142 Figura 122 - Anlise de um corpo de prova aps teste de desgaste. ......................................143 Figura 123 - Anlise de projtil via digitalizao 3D a Laser. ...............................................144 Figura 124 - Interface do banco de texturas desenvolvido.....................................................145 Figura 125 - Ferramenta para anlise de repetio do mdulo da textura..............................146 Figura 126 - Ecossistema do banco de texturas......................................................................147 Figura 127 - Nuvem de pontos do couro de cobra; (a) nuvem de pontos bruta .....................149 Figura 128 - Nuvem de pontos e malha de tringulos da textura couro de cobra. .................149 Figura 129 - Mdulo de repetio da textura couro de cobra em escala de cinzas. ...............150 Figura 130 - Eletrodo projetado em software CAM...............................................................150 Figura 131 - Rolo de gravao com a textura couro de cobra................................................151 Figura 132 - Textura do couro de cobra aplicada em couro bovino.......................................151 Figura 133 - Textura da arraia em programa CAM para usinagem........................................152 Figura 134 - Textura da arraia; couro natural, cera e lato banhado em ouro........................153 Figura 135 - Peas desenvolvidas pela equipe LdSM com a textura da arraia. .....................153 Figura 136 - Peas desenvolvidas por empresas do Sindijias-RS com a textura da arraia...154 Figura 137 - Textura da palha de milho; (a) palha natural (b) mdulo em escala de cinzas..154 Figura 138 - Comparao entre a palha de milho natural e a textura obtida em prata. ..........155 Figura 139 - Textura da palha de milho usinada em osso para peas de artesanato. .............155 Figura 140 - Textura da palha do milho; (a) resina de PU para usinagem.............................156 Figura 141 - Domin de texturas; (a) resina termofixa de PU (b) usinado em osso. .............156 Figura 142 - Domin de texturas desenvolvido pela equipe LdSM. ......................................157

  • X

    LISTA DE TABELAS

    Tabela 1 - Normas vigentes sobre rugosidade superficial (junho de 2006). ............................51 Tabela 2 - Superfcie (geomtrica, real e efetiva) e perfil obtido atravs dela.........................54 Tabela 3 - Desvios de superfcie. Fonte: adaptado de Silva (2002). ........................................55 Tabela 4 - Valores normalizados para os parmetros de rugosidade. Fonte:Gonzlez (1998).60 Tabela 5 - Nmeros de classe para rugosidade.........................................................................60 Tabela 6 - Principais vantagens e desvantagens da utilizao do parmetro Ra......................61 Tabela 7 - Valores de cutoff para perfis peridicos. Fonte: ISO 4288:1996. ...........................62 Tabela 8 - Valores de cutoff para perfis no peridicos (Ra). Fonte: ISO 4288:1996. ............62 Tabela 9 - Principais vantagens e desvantagens da utilizao do parmetro Rq......................63 Tabela 10 - Principais vantagens e desvantagens da utilizao do parmetro Rz....................64 Tabela 11 - Valores de cutoff para perfis no peridicos (Rz). Fonte: ISO 4288:1996. ..........65 Tabela 12 - Principais vantagens e desvantagens da utilizao do parmetro Rt.....................66 Tabela 13 - Viscosidade em funo da temperatura para alguns termoplsticos. ....................85 Tabela 14 - Valores de contrao (%) para alguns termoplsticos...........................................89 Tabela 15 - Caractersticas das lentes do scanner 3D a Laser utilizadas no LdSM. ..............101 Tabela 16 - Valores de Ra e Rz para os padres de rugosidade utilizados. ...........................104

  • XI

    RESUMO

    A textura considerada um aspecto da superfcie associado ao toque e s sensaes

    causadas por superfcies externas de objetos atravs do sentido do tato, exercendo grande

    influncia na interao entre um produto e seu usurio. Neste sentido, a textura superficial

    pode ser considerada a pele do objeto, a interface entre o produto (material) e seu utilizador,

    capaz de transmitir diferentes sensaes e percepes aos usurios. A aplicao de texturas,

    por alterar caractersticas superficiais do material, influencia tambm no desempenho dos

    produtos quando em uso. Pode-se verificar a influncia da textura em aspectos econmicos,

    tolerncias dimensionais, na tribologia (atrito, desgaste e lubrificao), fadiga, corroso,

    escoamento de fluidos, transferncia de calor e propriedades ticas das superfcies.

    Neste sentido, o objetivo geral do presente trabalho utilizar a digitalizao

    tridimensional a Laser como ferramenta para desenvolvimento e caracterizao de texturas

    aplicadas ao Design de Produtos. No que diz respeito ao desenvolvimento de texturas, foi

    inteno entender os mecanismos de gerao de padres tridimensionais e desenvolver uma

    metodologia para tal fim. Quanto caracterizao, foi possvel desenvolver um sistema de

    medio de parmetros de rugosidade, atravs de um scanner tridimensional a Laser, visando

    obteno de dados quantitativos. Atravs da digitalizao e processamento de dados dos

    padres de rugosidade foi possvel concluir que o limite de operao do equipamento

    utilizado ocorre com rugosidades mdias (Ra) da ordem de 5m com erro mdio de 10%. Os

    resultados e concluses das anlises de rugosidade foram fundamentais para o entendimento

    do mecanismo de processamento dos pontos oriundos da digitalizao. Atravs destes dados

    foi possvel realizar digitalizaes com maior qualidade de superfcies tridimensionais.

    Observa-se que este estudo trouxe contribuio para a rea de desenvolvimento de

    produtos, uma vez que atravs da texturizao pode-se diferenciar e inovar artefatos, bem

    como promover uma maior interao entre produto-usurio, estimulando percepes tteis e

    visuais. O desenvolvimento de uma metodologia para aquisio de texturas, processamento de

    dados, parametrizao de um mdulo de repetio e gerao de arquivos CAD/CAM tambm

    foi uma importante contribuio do presente trabalho. Atravs do desenvolvimento de um

    banco de texturas compreendeu-se a necessidade de inovar nesta rea que, at ento, no

    dispunha de uma forma sistemtica para organizar e classificar as texturas visando aplicao

    na indstria. O uso inovador das texturas promovido com a criao deste banco de texturas,

  • XII

    o qual se coloca como uma referncia aos designers, engenheiros e demais projetistas de uma

    proposta nova na construo de produtos. Acredita-se que com este trabalho a pesquisa seja

    estimulada, desenvolvendo novos caminhos tanto na rea do Design quanto da Engenharia.

  • XIII

    ABSTRACT

    Texture is considered an aspect of surface associated to touching and to sensations

    caused by external object surfaces through the sense of touch; exerting great influence in the

    interaction between a product and the consumers. In this way, the superficial texture may be

    considered the "skin of the object ", the interface between a product (material) and its user,

    capable to transmit different sensations and perceptions to people. The application of textures,

    due to change in superficial characteristics of materials, also influences in the product

    performance when it is in use. The influence of textures can be verified in economic aspects,

    dimensional tolerances, in tribology (friction, wear and lubrication), fatigue, corrosion, fluids

    flow, heat transfer and optical properties of surfaces.

    The aim of this work is to use the three-dimensional Laser scanning as a tool for

    development and characterization of textures applied to Product Design. In respect to texture

    development, the goal was to understand the mechanisms of three-dimensional patterns

    generation and to develop a methodology to it. In respect to texture characterization, it was

    possible to develop a roughness parameters measurement system, through three-dimensional

    Laser scanner, aiming at the attainment of quantitative data. With roughness standards

    scanning and its data processing, it was possible to conclude that the operation limit of the

    used equipment occurs with average roughness (Ra) of the order of 5m with an error of

    10%. The roughness analysis results and conclusions had been basic for the understanding of

    the digital points processing mechanism. Due to these data it was possible to carry better

    quality to three-dimensional surfaces scanning.

    One can observe that this study brought contributions to the product development

    area, since texturing can promote differentiated and innovative devices, as well as provide a

    bigger interaction between product-user, stimulating tact and visual perceptions. The

    development of a methodology for texture acquisition, data processing, repetition module

    parameterization and CAD/CAM files generation also was an important contribution of the

    present work. Due to the development of a texture database it was understood the necessity of

    innovating in this area that, so far, did not make use of a systematic form to organize and to

    classify textures aiming at their application in industry. The innovative use of textures is

    promoted with the creation of this texture database, which stands to designers and engineers

  • XIV

    as a reference of a new proposal in product development. It is believed that with this work the

    research is stimulated, developing new ways both in Design and in Engineering.

  • 15

    INTRODUO

    A textura considerada um aspecto da superfcie associado ao toque e pode exercer

    grande influncia na interao entre um produto e seu usurio. Manzini (1989) define a

    textura superficial como a pele do objeto, capaz de transmitir diferentes sensaes e

    percepes aos usurios. A aplicao de texturas, por alterar caractersticas superficiais do

    material, veculo atravs do qual a textura se manifesta, influencia tambm no desempenho

    dos produtos quando em uso. Antes de discutir as texturas e suas aplicaes, tanto no Design

    quanto na Engenharia de Superfcies, faz-se necessrio a apresentao de alguns conceitos

    importantes, a fim de fornecer subsdios para o melhor entendimento das discusses

    realizadas ao longo do trabalho.

    Segundo o International Council Design of Societies of Industrial Design - ICSID

    (2006), Design uma atividade criativa que visa estabelecer qualidades multifuncionais para

    objetos, processos, servios e seus sistemas durante todo o ciclo de vida. Portanto, o Design

    o fator central para a humanizao inovadora das tecnologias e o fator crucial para o

    intercmbio cultural e econmico. Baseados na definio do ICSID, rgos nacionais criaram

    suas prprias definies acerca do Design. O Programa Brasileiro de Design - PBD

    (Ministrio do Desenvolvimento, Indstria e Comrcio Exterior - MDIC) praticamente

    transcreve esta definio: atividade criativa que estabelece as funes e qualidades de

    diferentes objetos, processos, servios e sistemas, abrangendo todo seu ciclo de vida,

    preocupando-se especialmente com a interao entre estes e seus usurios. O PBD

    indica que o Design fundamental para a humanizao inovadora de tecnologias e o

    intercmbio econmico e cultural entre os povos. Para a Rede Gacha de Design - RGD,

    entende-se por Design a melhoria dos aspectos funcionais, ergonmicos e visuais dos

    produtos, de modo a atender s necessidades do consumidor, melhorando o conforto, a

    segurana e a satisfao dos usurios. Segundo Bonsiepe (1997), Design a atividade

    projetual, responsvel pelas caractersticas Estruturais, Esttico-Formais e Funcionais de um

    produto para fabricao em srie. Cabe salientar que a textura pode prover ao produto

    caractersticas estruturais, estticas, formais e/ou funcionais, seja individual ou

    simultaneamente.

  • 16

    De acordo com Bonsiepe (1997), o Design consiste no domnio no qual se estrutura

    a interao entre usurio e produto, para facilitar aes efetivas. Para o autor, todo design

    design de interfaces, no sentido de que o designer, em geral, no vai produzir a forma que o

    produto funciona (tarefa da engenharia, programao, entre outras reas de desenvolvimento),

    mas sim a interao do produto com o usurio [Wikipdia, 2006]. Entende-se por interface

    com o usurio o mecanismo por meio do qual se estabelece uma comunicao entre um

    dispositivo e o ser humano. Neste contexto, uma das principais interfaces material/usurio a

    prpria textura presente na superfcie do produto.

    A palavra superfcie vem do latim super (superior) + facies (face) e

    etimologicamente significa face ou parte exterior dos corpos. De acordo com o dicionrio

    Aurlio (1999), usualmente, uma superfcie pode ser definida como a parte externa de um

    corpo, tambm representando idia de face, aparncia e aspecto; e, geometricamente, como

    uma configurao geomtrica de duas dimenses. Segundo a Enciclopdia Wikipdia (2006),

    matematicamente (topologia), uma superfcie um espao bidimensional e, em um espao

    tridimensional, as superfcies podem representar os limites de objetos slidos tridimensionais.

    Na geometria euclidiana, de acordo com Silva (2005), o ponto o elemento bsico, que no

    tem partes e que no tem grandeza alguma; linha o que tem comprimento e no tem largura

    (uma dimenso), sendo suas extremidades pontos; superfcie o elemento que tem

    comprimento e largura (duas dimenses), sendo suas extremidades linhas; e slido o que

    tem comprimento, largura e espessura (trs dimenses), sendo suas extremidades superfcies.

    Segundo Wong (1998) o desenho se refere criao de um mundo bidimensional por meio de

    esforos conscientes de organizao dos vrios elementos. Essa representao inclui duas

    dimenses, comprimento e largura, e que em conjunto estabelecem uma superfcie plana, sem

    profundidade. J a representao tridimensional mostra as formas e materiais tangveis no

    espao real, possibilitando informaes para percepo humana que levam a uma

    compreenso completa da realidade do produto. Cabe salientar que o material o veculo no

    qual a textura e suas inerentes percepes se manifestam.

    Neste sentido, independentemente de uma definio popular ou geomtrica, as

    superfcies representam a interface dos objetos reais (tridimensionais) com o meio externo e,

    assim, suas caractersticas podem ser associadas com a interao produto-usurio. Esta

    interao um fator de extrema relevncia para o Designer, o qual deve, ento, entender a

  • 17

    importncia das superfcies, bem como as caractersticas e propriedades dos materiais que as

    veiculam, no projeto de produtos.

    O termo Design de Superfcie, apesar de etimologicamente interessante para

    expressar o desenvolvimento de superfcies baseadas na relao produto-usurio, vem sendo

    empregado geralmente resumindo-se rea grfica artstica. Segundo Rthschilling (2006), o

    termo ingls Surface Design normalmente traduzido como Design Txtil ou Desenho

    (Industrial) de Estamparia, denominaes usadas no Brasil que se referem somente ao campo

    txtil e de impresso de desenhos sobre tecidos. A autora prope uma definio mais

    abrangente para o termo: consiste na criao de imagens bidimensionais, projetadas

    especificamente para gerao de padres, que desenvolvem-se de maneira contnua sobre

    superfcies de revestimentos. Para o PBD, Design de Superfcie o ramo do design grfico

    voltado criao de grafismos, ilustraes ou outros tipos de composies para aplicao em

    diferentes tipos de superfcies. Destacam-se as usadas no revestimento de paredes, pisos ou

    caladas, como pastilhas, azulejos, lajotas, papis, tecidos, carpetes, divisrias, etc.

    Discusses em torno da definio de Design de Superfcies vm ocorrendo e no que diz

    respeito s texturas, considera-se que elas podem ser somente visuais (bidimensionais) ou

    tambm tteis, apresentando leve relevo. No que diz respeito gerao de padres em relevo

    e a composies atravs de elementos tridimensionais, aplicveis ao design de produtos, o

    termo textura precisa ser melhor compreendido.

    Textura pode ser definida como um aspecto da superfcie associado ao toque; o tato

    ou forma de uma superfcie ou substncia; suavidade, rugosidade, etc. de algo [Wikcionrio,

    2006]. Segundo a Enciclopdia Wikipdia (2006), textura refere-se s propriedades de tocar e

    sensaes causadas por superfcies externas de objetos atravs do sentido do tato. O termo

    textura tambm pode ser utilizado para descrever sensaes no-tteis. Texturas ainda podem

    ser consideradas como um padro em pequena escala onde o elemento individual que formar

    o todo no distinguvel. Esta ltima definio aproxima-se do conceito de rugosidade,

    abordado com profundidade na seo 1.4.

    No que diz respeito interao do produto com o usurio, as texturas mostram papel

    fundamental, visto que a texturizao de superfcies influencia na percepo de um usurio ao

    v-la e/ou toc-la. De acordo com Kunzler (2003) as diferenas na percepo ttil devem

    considerar as variveis de rugosidade (aspereza), a dureza e a condutividade trmica do

  • 18

    material. Estas so as trs caractersticas associadas ao material que so percebidas ao tocar

    em um objeto e juntas podem identificar por completo um relevo. Para Ruiz (1994) a textura

    pode ser apreciada mediante o sentido do tato ou o da viso, ou atravs de ambos de uma vez.

    Cada material possui uma textura diferente segundo sua natureza, orgnica ou inorgnica,

    segundo sua composio fsica e segundo os processos de fabricao a que foi submetido.

    No que diz respeito esttica da superfcie, estudos sobre a rugosidade e a

    texturizao superficial tambm j vm sendo realizados [Stout (1999), Evans & Bryan

    (1999)]. O uso das texturas pode ser estendido a muitos e distintos produtos. A texturizao

    permite a juno sutil das peas cobrindo diversas imperfeies do processo industrial. Assim,

    a textura uma qualidade superficial que permite disfarar as imperfeies dos prprios

    materiais que compem um produto e tambm de seus processos de confeco.

    As texturas influenciam tambm o comportamento dos produtos quando em uso.

    Tecnicamente, a textura de uma superfcie costuma ser associada rugosidade superficial e

    pesquisadores de diferentes reas vm estudando sua influncia no desempenho dos produtos

    industriais. Euitiz (2002) afirma que o acabamento final e a textura de uma superfcie so de

    grande importncia e influncia para definir a capacidade de desgaste, lubrificao, resistncia

    fadiga e aspecto externo de uma pea ou material e que, por isso, a rugosidade um fator

    que deve ser levado em considerao. As superfcies podem ser projetadas com texturas

    especficas para prover determinada funo a um produto. Stout (1999), classifica as

    superfcies funcionais em Superfcies de Engenharia (Engineered surfaces) e Superfcies

    Estruturadas (Structured surfaces).

    Segundo o dicionrio Aurlio (1999), estrutura o conjunto formado, natural ou

    artificialmente, pela reunio de partes ou elementos, em determinada ordem ou organizao; a

    disposio dos elementos ou partes de um todo; a forma como esses elementos ou partes se

    relacionam entre si, e que determina a natureza, as caractersticas ou a funo ou

    funcionamento do todo. Todas as superfcies possuem textura e estrutura, mas segundo Stout

    (1999), as superfcies estruturadas so aquelas em que a estrutura da superfcie foi projetada

    intencionalmente para uma especfica performance funcional. Evans & Bryan (1999)

    relacionam as superfcies estruturadas a padres de repetio, no entanto, os mesmos

    reconhecem que estas superfcies no necessariamente devem ser peridicas. Estes autores

  • 19

    ainda afirmam que muitas vezes a funo destas superfcies no pode ser relacionada com os

    tradicionais parmetros de acabamento de superfcie (ex. Ra e Rq).

    Para Stout (1999), as superfcies de engenharia so produzidas especificamente de

    modo a alterar as camadas da superfcie e da sub-superfcie para dar a performance requerida.

    Evans & Bryan (1999), afirmam que todas as superfcies podem ser consideradas superfcies

    de engenharia, pois a fabricao gera variaes na geometria e/ou nas propriedades do

    material prximo superfcie. Este conceito pode ser mais facilmente relacionado com a

    rugosidade superficial.

    A rugosidade formada por sulcos ou marcas deixadas na superfcie da pea pelo

    processo de fabricao. Segundo Kindlein (2006), luz do Design, entende-se por processo

    produtivo toda e qualquer transformao aplicada sobre materiais, para que estes dem origem

    a um produto. Tais processos, juntamente com a seleo de materiais, viabilizaram e

    racionalizaram a manufatura do projeto, e vm proporcionando uma constante evoluo nas

    tcnicas de produo. Assim, pode-se afirmar que a rugosidade, a exemplo da textura, est

    presente em todos os produtos e influencia no s em aspectos tcnicos, mas tambm em

    aspectos estticos, uma vez que est diretamente ligada com o acabamento superficial do

    produto.

    A determinao da rugosidade torna-se tambm importante no desenvolvimento dos

    atuais processos de fabricao medida que fornece dados para inspeo da superfcie e

    controle de qualidade da mesma. Para o controle de qualidade, inspeo e ensaios finais nos

    produtos acabados existem normas vigentes, as quais so ditadas no Brasil pela Associao

    Brasileira de Normas Tcnicas (ABNT). Segundo a ABNT, define-se por Normalizao o

    processo de estabelecer e aplicar regras a fim de abordar ordenadamente uma atividade

    especfica, para o benefcio e com a participao de todos os interessados e, em particular, de

    promover a otimizao da economia, levando em considerao as condies funcionais e as

    exigncias de segurana. A norma ABNT NBR ISO 4287 aborda as especificaes

    geomtricas do produto no que diz respeito a termos, definies e parmetros da rugosidade.

    A referida norma est em consonncia com as normas internacionais de rugosidade e, assim,

    os trabalhos sobre este tema desenvolvidos no Brasil tambm podem ser consultados,

    comparados e utilizados internacionalmente.

  • 20

    O Design por abranger todas as reas industriais, torna necessrio o aprimoramento

    das tcnicas de aquisio e caracterizao das texturas, a fim de que com estes dados se possa

    dispor de texturas diferenciadas e inovadoras. Assim, sistemas com alta tecnologia para

    aquisio de imagens e dados, como o Scanner 3D a Laser, softwares vetoriais e sistemas

    CAD/CAE/CAM tornam-se ferramentas fundamentais para esta funo. O processo de

    Digitalizao Tridimensional, atravs do scanner 3D, permite obter com grande preciso

    detalhes de superfcies, texturas e objetos. Atravs dos modelos 3D digitalizados podem ser

    realizadas anlises de superfcies, medidas de rugosidade, desgaste e centro de gravidade,

    construo de moldes, etc., e aplicar os resultados com grande fidelidade em produtos

    inovadores.

    Neste sentido, o objetivo geral do presente trabalho utilizar a digitalizao a

    tridimensional a Laser como ferramenta para desenvolvimento e caracterizao de texturas

    aplicadas ao Design de Produtos. No que diz respeito ao desenvolvimento de texturas, foi

    inteno entender os mecanismos de gerao de padres tridimensionais e desenvolver uma

    metodologia para tal fim, bem como discutir a inter-relao entre Textura x Material x

    Usurio. Quanto caracterizao, foi possvel desenvolver um sistema de medio de

    parmetros de rugosidade, atravs de um scanner tridimensional a Laser, visando obteno

    de dados quantitativos. Para atingir os objetivos a presente dissertao foi estruturada em

    quatro captulos.

    No primeiro captulo apresentada uma reviso bibliogrfica sobre o assunto, a qual

    aborda as texturas e suas aplicaes, definies sobre a rugosidade e seus parmetros, normas

    tcnicas para determinao do estado de superfcies e tambm sobre a tcnica de digitalizao

    tridimensional a Laser.

    O segundo captulo apresenta os materiais e mtodos utilizados nos procedimentos

    experimentais, os quais foram baseados no scanner tridimensional a Laser, nas normas

    tcnicas e em padres de rugosidade.

    No terceiro captulo so apresentados e discutidos os resultados obtidos atravs do

    procedimento experimental.

  • 21

    O quarto captulo apresenta as concluses, tomadas com base na discusso realizada

    atravs dos resultados obtidos, e tambm sugestes para trabalhos futuros. Por fim so

    apresentadas as referncias bibliogrficas utilizadas para a realizao desta dissertao de

    mestrado.

  • 22

    1. REVISO BIBLIOGRFICA

    1.1. As texturas e a subjetividade

    A textura refere-se s propriedades de tocar e s sensaes causadas por superfcies

    externas de objetos atravs do sentido do tato [Wikipdia, 2006]. Sendo a textura uma

    caracterstica da superfcie associada ao toque, ela exerce grande influncia na interao entre

    um produto e seu usurio. Neste sentido, a textura superficial pode ser considerada a pele do

    objeto, a interface entre o produto (material) e seu utilizador, capaz de transmitir diferentes

    sensaes e percepes aos usurios. Segundo Silva (2006) diversas reas, como a ergonomia

    e a psicologia, vm estudando o ato de tocar uma superfcie. Ainda segundo o autor, a

    ergonomia cognitiva pode beneficiar-se das texturas atravs do aumento do nvel da

    percepo de um objeto pelo usurio e a interface do objeto com o meio (textura) influencia

    diretamente na relao usurio-produto, pois o toque um dos principais aspectos sensoriais

    ligados emoo.

    De acordo com Manu (1995), o usurio procura geralmente objetos que possam

    suprir, alm de sua funo bsica, tambm, suas necessidades emocionais. Os objetos no so

    somente a soluo das necessidades mecnicas que executam; somente uma funo necessria

    vida, mas tambm servem para trazer satisfao e um sentido de completude. As emoes

    no devem ser vistas como uma conseqncia, mas como algo que o designer deve

    constantemente procurar; algo que deve vir antes mesmo do projeto, o que tambm no

    significa que a funcionalidade est em segundo lugar. Neste sentido, Norman (2002) indica

    claramente que um bom projeto ocorre quando beleza e usabilidade esto em balano.

    Segundo Dischinger (2006), a conscincia desta interao do produto com emoes e o efeito

    que produzir no usurio essencial ao projetar-se. A primeira impresso de um produto

    associada na maior parte superfcie do material, que a interface (pele do produto) entre o

    usurio e o objeto e tambm o lugar onde acontece materialmente boa parte da passagem de

    informaes. A ligao entre o produto e a emoo pode ser estabelecida e intensificada com

    o uso da textura, a qual uma ferramenta que sustenta o design emocionalmente dirigido. O

    relevo pode influenciar a ambos sentidos: o visual e o ttil. O sentido do toque, aquele que a

    pele reserva para ser percebido sobre todo o corpo, est conectado no somente aos instintos

  • 23

    de proteo e segurana, mas tambm a outros sentimentos primrios presentes desde os

    primeiros momentos no mundo exterior.

    Segundo Ackerman (1996), o tato o sentido prioritrio a uma necessria condio

    interpretativa dos objetos, tornando-se essencial vida humana. Um cego consegue realizar

    suas interpretaes essencialmente pelo tato, onde a perda deste comprometeria a assimilao

    da realidade. Assim, o estudo de texturas tambm pode ter um grande carter social e

    inclusivo, pois elas permitem facilitar a acessibilidade de pessoas portadoras de deficincias

    visuais. De acordo com Silva (2006), para estabelecer seu conhecimento, os deficientes

    visuais dependem do tato que um sentido que inclui a percepo e a interpretao por meio

    da explorao sensorial. Para a maioria dessas pessoas o sentido do tato extremamente

    desenvolvido e explor-lo atravs do uso de texturas mostra-se imprescindvel. Pode-se

    compor o uso de texturas com o uso de diferentes materiais, os quais traro os resultados mais

    distintos possveis. Usar texturas tridimensionais no revestimento superficial dos artefatos

    pode contribuir para uma comunicao melhor entre o consumidor e o produto.

    A texturizao, exercendo influncia na percepo ttil de um produto, mostra-se

    uma importante ferramenta para trabalhar a interao produto-usurio. Manzini (1993) afirma

    que a antiga cultura do produto industrial liso/duro/frio, contra o qual se contrape o produto

    texturado/quente/macio, vem dando lugar a solues intermedirias, dotadas de novas

    qualidades, produzindo superfcies high-touch. Kunzler (2003) vem ao encontro dessa

    afirmao e mostra que as diferenas na percepo ttil devem considerar as variveis de

    rugosidade (aspereza), dureza e condutividade trmica do material. Nestes termos, Ruiz

    (1994) acrescenta que cada material possui uma textura diferente segundo sua natureza,

    orgnica ou inorgnica, e segundo sua composio fsica. Para Silva (2005) neste ambiente

    sensorial, a oportunidade de interao direta com os diferentes materiais, desde a concepo

    do produto, proporciona um avano criativo em direo percepo que, certamente,

    permitir relacionar esttica e conforto aliado viabilidade tcnica e econmica de produo

    para projetos de produto. Segundo Linden & Kunzler (2002) a seleo dos materiais a serem

    utilizados nos produtos industriais um dos fatores determinantes para a sua qualidade e para

    o seu sucesso. No apenas influencia o seu desempenho tcnico, como seguramente um dos

    fatores que afetam o consumidor/usurio na sua deciso, freqentemente subjetiva, ao adquirir

    um determinado produto.

  • 24

    A dimenso subjetiva est associada a fatores como cultura, gostos e experincias

    individuais (muitas vezes no conscientes), valores, preconceitos, etc. Esse conjunto de

    fatores corresponde ao que Lbach (1981) classificou como funes esttica e simblica,

    complementares funo prtica do produto, e ao que Brdek (1994) considerou como a

    funo de linguagem do produto. Recentemente, a Semntica de Produtos tem-se dedicado a

    investigar os significados que as pessoas atribuem aos produtos, a partir do seguinte axioma

    "o ser humano no responde s qualidades fsicas das coisas, mas ao que elas significam para

    ele" (Krippendorff, 2000). A textura pode ou no conter padres de repetio, mas

    independentemente disso, pode representar smbolos em relevo ou em sinais grficos (signos)

    para comunicao com os usurios do produto. Segundo Santaella (2002), a interpretao de

    signos definida pela Semitica como uma primeira percepo carregada pela pregnncia

    visual dos objetos ou materiais, provocando uma ligao entre uma indicao racional, que o

    signo se refere ou representa, ao efeito que o signo ir provocar em um possvel intrprete.

    Assim, a utilizao de signos nas texturas mostra-se uma alternativa bastante interessante para

    transmitir informaes atravs da interface material x usurio. Silva (2005) exemplifica esta

    aplicao citando que a criao de signos tambm usual no setor caladista, onde a

    interpretao visual agregada interpretao ttil (conforto dos ps) vem a estabelecer a

    caracterizao das variveis subjetivas ainda somadas s variveis objetivas definidas pelas

    propriedades dos materiais e requisitos de operao.

    Considerando a importncia do material para a percepo do usurio, bibliotecas de

    materiais (materiotecas) vm sendo desenvolvidas, visando auxiliar a pesquisa e a seleo de

    materiais. Segundo Silva (2005), a materioteca proporciona elementos tcnicos, tteis e

    visuais, atravs de seu acervo e de seu banco de dados. Nestas bibliotecas podem ser

    encontrados materiais em suas mais variadas aplicaes e acabamentos, bem como seus

    respectivos processos produtivos, possibilitando o aprimoramento de designers, engenheiros e

    demais projetistas na seleo de materiais para o projeto de novos produtos industriais. Silva

    (2005) ainda apresenta um tesauro, o qual o mesmo define como uma hierarquia de

    relacionamentos de palavras que possam estar associadas, representando, neste caso,

    caractersticas diversas das amostras cadastradas no sistema, com o propsito fundamental de

    viabilizar a busca por palavras-chave no momento da pesquisa de materiais. A materioteca

    possui dados tcnicos dos materiais com variveis objetivas e quantitativas, no entanto, torna-

    se possvel realizar interpretaes pessoais por parte do pesquisador neste ambiente, no que se

    refere s variveis subjetivas, correlacionadas com as percepes dos sentidos. A Figura 1

  • 25

    apresenta esta relao de variveis subjetivas (propriedades sensoriais) e de variveis

    objetivas (propriedades tcnicas). Uma discusso mais aprofundada sobre aspectos tcnicos

    dos materiais, no que diz respeito texturizao, realizada no captulo 1.7.

    Figura 1 - Propriedades sensoriais (subjetivas) e propriedades tcnicas (objetivas) dos materiais. Fonte: Silva (2005).

    Assim, conforme proposto por Silva (2005), importante realizar um adequado

    trabalho de interao entre a linguagem tcnica (objetiva) e a linguagem perceptiva

    (subjetiva), de modo que tanto o Designer quanto o Engenheiro possam identificar

    informaes complementares as suas percepes tradicionais, provenientes de sua formao,

    fomentando a elaborao de novos projetos, capacitados inovao. Para tanto, de acordo

    com o exposto, torna-se uma ferramenta fundamental para esta interao, no s o

    desenvolvimento, mas tambm a caracterizao de texturas aplicadas aos produtos industriais.

    Cabe salientar que a avaliao do desempenho das superfcies texturizadas essencialmente

    qualitativa e muitas vezes subjetiva, principalmente no que diz respeito aos aspectos de

    esttica, percepo e emoo. Para caracterizao das superfcies atravs de parmetros

    quantitativos, costuma-se utilizar parmetros de rugosidade, os quais utilizam mtodos

    matemticos para descrever sua topografia.

    1.2. Texturas, Rugosidade e suas aplicaes

    A rugosidade, formada na superfcie da pea pelo processo de fabricao, est

    presente em todos os materiais e produtos acabados. Ela influencia em muitos aspectos

    tcnicos, tais como tolerncias, atrito, desgaste, lubrificao, fadiga, corroso, propriedades

  • 26

    ticas, transmisso de calor, etc. A rugosidade tambm importante em aspectos econmicos

    e estticos, uma vez que est diretamente ligada com o acabamento superficial do produto.

    Uma explorao mais profunda a respeito da rugosidade apresentada na seo 1.4.

    1.2.1. Aspectos econmicos

    Fabricar consiste basicamente em alterar uma matria-prima com o intuito de obter

    um produto acabado. Segundo Kalpakjian (1985), os processos de fabricao representam,

    nos pases industrializados, um tero do produto interno bruto. Sendo a rugosidade

    conseqncia direta da fabricao, sua aplicao pode ter importante papel econmico. A

    texturizao, seja ela funcional, esttica, ou esttico-funcional, tambm corresponde ao

    acabamento superficial e, neste sentido, tambm tem importante papel econmico. O papel

    econmico da textura possui duas faces, uma de aumentar o custo de fabricao e outra de

    aumentar o valor agregado ao produto.

    Para Gonzlez (1998), no acabamento superficial de um componente usinado deve-se

    levar em conta no somente o aspecto esttico ou uma funo especfica, mas tambm que

    deve ser produzido ao menor custo possvel, considerando que existe uma relao direta entre

    o grau de acabamento e o tempo necessrio para atingi-lo, como mostra a Figura 2.

    Figura 2 - Processos de acabamento superficial em relao a seu tempo de obteno

    e correspondente valor de rugosidade. Fonte: Gonzlez (1998).

  • 27

    1.2.2. Tolerncias

    Segundo Ferrante (1996) define-se tolerncia como a mxima diferena dimensional

    permissvel em qualquer das cotas da pea, enquanto que rugosidade superficial refere-se

    inevitvel presena de irregularidades na superfcie da mesma. Assim, a tolerncia est

    diretamente ligada rugosidade superficial da pea. A Figura 3 mostra que para uma pea

    possuir baixa tolerncia (alta preciso), a mesma deve necessariamente apresentar tambm

    baixa rugosidade.

    Figura 3 - Tolerncias e Rugosidade Superficial. Fonte: Ferrante (1996).

    Gonzlez (1998) afirma que uma tolerncia dimensional estrita no funcional se

    no for obtida com um acabamento adequado. Por exemplo, em um acoplamento com jogo no

    qual furo e eixo estejam em movimento relativo, superfcies com rugosidade pronunciada

    estaro expostas ao desgaste rpido que far variar as caractersticas funcionais do

    acoplamento estabelecido. A Figura 4 um mapa para seleo de processos de fabricao e

    apresenta faixas de tolerncia e de rugosidade superficial para diversos processos de

    fabricao.

  • 28

    Figura 4 - Mapa de seleo de processos de fabricao: tolerncia x rugosidade superficial. Fonte: realizado pelo autor com uso do software CES (2005).

    1.2.3. Tribologia - Atrito, desgaste e lubrificao

    Segundo Rossetti (2006), em grego, a palavra tribien significa esfregar e a tribologia

    passou a significar a cincia das interfaces em movimento relativo. As propriedades

    mecnicas das interfaces que so estudadas em tribologia incluem atrito, escorregamento,

    lubrificao e desgaste. Para Kawakame (2006), a tribologia, "a cincia do atrito, desgaste e

    lubrificao de superfcies slidas em movimento relativo", atualmente considerada como

    uma das linhas principais de pesquisa da cincia e engenharia dos materiais. Ferreira (2000)

    afirma que a tribologia - cincia do atrito, do desgaste e matrias relacionadas - uma rea

    tecnolgica recente, mas da maior importncia, pois sempre foi inteno do ser humano

    diminuir os esforos devidos aos atritos e evitar os desgastes, causadores do desperdcio de

    materiais. O autor ainda coloca que a importncia desta cincia para um correto projeto de

    mquinas e equipamentos, assim como para uma correta manuteno dos mesmos,

    inquestionvel.

  • 29

    A base da tribologia a existncia do atrito. Holanda (1999) define atrito como

    frico entre dois corpos; designao comum aos fenmenos em que o movimento relativo

    entre duas superfcies em contato freado pelas foras de adeso existentes entre as

    superfcies. O atrito pode ser dividido em atrito de escorregamento, existente entre duas

    superfcies slidas em contato e que deslizam uma sobre a outra, e atrito de rolamento,

    existente entre uma superfcie slida e outra superfcie que rola sobre ela. Do ponto de vista

    da mecnica dos fludos, a viscosidade pode ser considerada como o atrito interno de um

    fluido. Segundo Rabinowicz (1965), as primeiras investigaes sobre o atrito incluem

    registros de Amontons (1699), Coulomb (1785) e Morin (1833) e adotaram a hiptese de que

    o atrito ocorre devido ao travamento mtuo de protuberncias ou asperezas nas superfcies

    dos materiais em contato, e deste modo pode-se explicar porque a fora de atrito

    proporcional carga e independe da rea de contato. Outra hiptese discutida, principalmente

    por Hardy (1919) e Tomlinson (1929), foi de que o atrito ocorre devido a foras adesivas

    entre as superfcies em contato, porm isso implica em que o atrito seja proporcional rea de

    contato, o que contrrio s evidncias experimentais.

    Por volta de 1940 descobriu-se que existe uma substancial diferena entre a rea de

    contato aparente e a rea de contato real. A partir de ento adotou-se a hiptese de que a rea

    de contato real pode ser considerada proporcional ao carregamento e independente da rea de

    contato aparente. A rugosidade est ligada rea de contato real entre duas superfcies e por

    este motivo bastante discutida neste campo. Texturas intencionalmente projetadas podem

    minimizar, maximizar, ou ainda atingir um determinado patamar desejado de atrito.

    Rabinowicz (1965), trabalhando com ligas de cobre, mostrou que em superfcies

    muito lisas o atrito tende a ser alto porque a rea de contato cresce excessivamente e em

    superfcies muito rugosas o atrito alto por causa da necessidade de elevar uma superfcie por

    cima das asperezas de outra. O autor tambm mostrou que em faixas intermedirias de

    rugosidade o atrito mais baixo e sofre pouca influncia da rugosidade, este comportamento

    pode ser observado na Figura 5.

  • 30

    Figura 5 - Atrito e Rugosidade para ligas de cobre. Fonte: Rabinowicz (1965).

    Segundo Myshkin (1998), atualmente, os pesquisadores concordam que o atrito

    composto por componentes mecnicos (deformao) e moleculares (adeso), porm, ainda

    so discutidos os pesos de cada componente. Sviridenok (1996), confirmando o postulado por

    Rabinowicz (1965), mostra que para rugosidades muito baixas, as foras de adeso passam a

    ter uma significativa contribuio para a natureza do atrito e o comportamento do desgaste,

    conforme a Figura 6.

    Figura 6 - Atrito e Rugosidade para vrias superfcies. Fonte: Sviridenok (1996).

    Cabe salientar que apesar de muitas vezes indesejado, o atrito tambm muitas vezes

    necessrio. Sem o atrito as correias no poderiam mover as mquinas e uma pessoa no sairia

  • 31

    do lugar porque seus ps escorregariam sobre a superfcie. O atrito prejudicial no momento

    em que ele desgasta as superfcies que deslizam uma sobre a outra, aumenta a fora necessria

    para mover um corpo e produz calor.

    Segundo Kawakame (2006), a resistncia ao desgaste no verdadeiramente uma

    propriedade dos materiais e sim um comportamento complexo que depende de vrios fatores.

    As taxas de desgaste em um sistema tribolgico no qual dois corpos slidos deslizam um

    contra o outro dependem no s das propriedades dos materiais envolvidos, mas tambm da

    geometria do contato, da presso de contato, da rugosidade da superfcie, da velocidade de

    deslizamento, da temperatura e do meio ambiente, da presena e eficcia de qualquer

    lubrificante, e de outros detalhes. Um sistema tribolgico consiste nas superfcies de dois

    componentes que se encontram em contato mvel um com o outro e com a rea adjacente

    (Figura 7). O tipo, evoluo e extenso do desgaste so determinados pelos materiais e

    acabamentos dos componentes, eventuais materiais intermdios, influncias da rea adjacente

    e condies de operao [Balzers, 2005]. Segundo Rabinowicz (1965), o desgaste pode ser

    definido como a remoo de material de superfcies slidas como resultado de ao mecnica;

    e a palavra desgastar, segundo Holanda (1999), significa gastar ou consumir pelo atrito.

    Figura 7 - Sistema Tribolgico. Fonte: Balzers (2005).

    Segundo Mendes (2006), existem vrios tipos de desgaste, sendo os principais os

    desgastes abrasivo, adesivo, qumico (corroso) e por fadiga. O desgaste abrasivo consiste no

    1 Objeto base

    2 Corpo oponente

    3 Influncias adjacentes: Temperatura, umidade relativa, presso, etc.

    4 Material intermedirio: partculas contaminantes, leo, graxa, gua, etc.

    5 Carga

    6 Movimento

  • 32

    polimento e abraso da superfcie por partculas de material mais duro ou contaminantes

    slidos. No desgaste adesivo (Figura 8) as superfcies, ao entrarem em contato, sofrem micro-

    soldagem das rugosidades e sua posterior separao no ocorre na interface original; acontece

    preferencialmente em regimes de lubrificao limite. O desgaste corrosivo favorecido

    devido reao qumica com o ambiente envolvente, o atrito entre as superfcies promove a

    remoo de filmes xidos formados e permite que o ataque superfcie continue. O fretting

    causado pela fadiga superficial ou sub-superficial, geralmente por contato de rolamento e a

    eroso (cavitao) pela formao e arrebentamento de bolhas nas superfcies devido a

    mudanas rpidas de presso.

    Figura 8 - Desgaste adesivo. Fonte: Mendes (2006).

    O uso de lubrificantes pode diminuir drasticamente o atrito e conseqentemente o

    desgaste entre duas superfcies deslizantes entre si. Segundo Mendes (2006), dentre outras, as

    principais funes da lubrificao so separar as superfcies em movimento, dissipar o calor

    gerado pelo atrito e controlar o desgaste corrosivo. A lubrificao tambm pode ser dividida

    em vrios tipos. Mendes (2006) define quatro situaes principais de lubrificao:

    lubrificao hidrodinmica, elasto-hidrodinmica, lubrificao limite e no-lubrificao.

    Segundo Moreno (2000), sob condies a seco, nenhum lubrificante utilizado na interface e

    somente as camadas de xido existentes nas superfcies esto presentes. Neste caso, o atrito

    alto, situao no desejvel em muitas aplicaes.

    Moreno (2000) afirma que condies hidrodinmicas existem quando uma espessa

    camada de lubrificante est presente entre as superfcies e que, neste caso, as condies de

    atrito so governadas pela viscosidade do lubrificante e pela velocidade relativa entre as

  • 33

    peas. Para Ursa (2006) a hidrodinmica a condio de lubrificao plena, onde a pelcula

    ou cunha de leo separa completamente as superfcies em movimento relativo.

    Ursa (2006) afirma que a elasto-hidrodinmica difere da teoria hidrodinmica

    clssica por levar em considerao a influncia da presso na viscosidade e nos materiais. J

    BP (2006) a define como o regime de lubrificao caracterizado pelas elevadas cargas

    unitrias e altas velocidades impostas em elementos rolantes solidrios que se deformam

    elasticamente devido incompressibilidade da pelcula de lubrificante sob presses muito

    elevadas. Mendes (2006) cita que este regime ocorre tipicamente em uma pelcula muito fina

    de leo sob extrema presso.

    Ursa (2006) afirma que na lubrificao limite ou restrita h a formao de uma

    pelcula muito fina ou incompleta, ou seja, no h o desenvolvimento de um filme homogneo

    de fluido lubrificante e ocorre contato parcial entre as superfcies. Para Moreno (2000), o uso

    de um fino filme lubrificante (lubrificao limite) a situao mais comum encontrada no

    dia-a-dia, pois aplicaes com aumento de temperatura na interface e altas presses de contato

    normalmente no possibilitam a presena de um regime hidrodinmico. Mendes (2006) ainda

    apresenta um estado de lubrificao entre a hidrodinmica e a limite, chamada de lubrificao

    mista, onde existe algum contato entre as superfcies, conforme a Figura 9.

    Figura 9 - Lubrificao (a) Pelcula Fina, (b) Mista, (c) Limite. Fonte: Mendes (2006).

    A lubrificao, assim como o atrito, um fenmeno que depende da velocidade de

    escorregamento entre as superfcies. Segundo Rabinowicz (1965), a rugosidade tambm

    apresenta influncia no atrito em superfcies lubrificadas por lquidos. Em certas velocidades,

    as superfcies lisas podem funcionar em um estado hidrodinmico de lubrificao (totalmente

    Carga Elevada Velocidade Baixa

    Carga Muito Elevada Velocidade Muito Baixa

    Pelcula limite

    Camada espessa

  • 34

    lubrificadas), enquanto que superfcies rugosas normalmente apresentam lubrificao limite.

    Este fator, por exemplo, faz com que pneus de automvel com ranhuras sejam melhor do que

    pneus lisos em uma pista molhada. A Figura 10 mostra, para uma velocidade vc, esta

    diferena entre superfcies lisas e rugosas.

    Figura 10 - Atrito em funo da velocidade. Fonte: Rabinowicz (1965).

    Mendes (2006) mostra que a lubrificao hidrodinmica ocorre quando a espessura

    do filme lubrificante maior do que as rugosidades da superfcie. Gonzlez (1998) afirma que

    a efetividade de um filme de leo na lubrificao de dois componentes em movimento ser

    nula se a profundidade da textura for maior que a espessura dele, j que isso significa que

    haver contato metal-metal, podendo influir no somente a sua altura como tambm a sua

    forma, como mostra a Figura 11.

    Figura 11 - Rugosidade e lubrificao. Fonte: Gonzlez (1998).

  • 35

    Conforme exposto, as texturas podem apresentar papel fundamental nas

    caractersticas tribolgicas dos produtos industriais, uma vez que elas alteram as condies de

    atrito, de desgaste e de lubrificao das suas superfcies. A utilizao de texturas projetadas

    para determinado sistema tribolgico pode ser um fator diferencial para o sucesso do produto.

    1.2.4. Fadiga e Corroso

    Segundo Strohaecker (2003), fadiga, por definio, a ruptura progressiva que

    ocorre em componentes e estruturas devido a solicitaes dinmicas e cclicas. Esta forma de

    falha ocorre com um nvel de tenses consideravelmente inferior ao limite de resistncia a

    trao ou ao limite de escoamento para carga esttica. O termo fadiga usado, pois

    normalmente a falha ocorre aps um longo perodo de tenso repetitiva. O autor afirma que a

    fadiga catastrfica e traioeira, j que ocorre repentinamente e sem avisos. O processo de

    falha por fadiga caracterizado por trs etapas distintas: (a) iniciao da trinca, onde uma

    pequena trinca nucleia em algum ponto de alta concentrao de tenses; (b) propagao da

    trinca, durante a qual ela avana a cada ciclo de tenses; e (c) a fratura final, que ocorre muito

    rapidamente uma vez que a trinca tenha atingido o seu tamanho crtico. Ao tracionar uma

    pea, a regio entre dois planos de escorregamentos se desloca, aumentando sua densidade de

    discordncias (encruamento), j no ciclo de compresso este plano fica ancorado e outro

    plano que escorrega. Isto da origem a micro intruses e micro extruses, os quais com o

    carregamento continuado podem dar origem microtrincas (Figura 12).

    Figura 12 - Nucleao de fadiga, intruses e extruses na superfcie.

  • 36

    As trincas associadas com falhas por fadiga quase sempre se iniciam (nucleiam) na

    superfcie em algum ponto concentrador de tenses como cantos vivos e riscos superficiais.

    Em materiais de alta resistncia e sujeitos a carregamentos crticos, texturas devem ser

    aplicadas cautelosamente, pois qualquer entalhe ou descontinuidade geomtrica pode atuar

    como um fator de concentrao de tenses e stio para iniciao de uma trinca de fadiga.

    Quanto menor o raio de curvatura, mais severa ser a concentrao de tenses. A

    probabilidade de falhas por fadiga pode ser reduzida evitando essas irregularidades estruturais

    ou ento efetuando alteraes no projeto de modo a eliminar cantos vivos (entalhes) atravs

    de uma suavizao do mesmo (Figura 13).

    Figura 13 - Utilizao de raios ao invs de entalhes para minimizar a fadiga.

    A rugosidade influencia bastante o desempenho em fadiga de determinada pea,

    assim, o acabamento superficial um fator determinante para sua performance. Segundo

    Gonzlez (1998), eixos ou pontas de eixo requerem acabamentos lisos em seus pontos crticos

    e em alguns casos precisam ser polidos por rolagem para torn-los mais resistentes. Segundo

    Strohaecker (2003), um dos mtodos mais eficazes para se aumentar o desempenho em

    relao fadiga consiste na imposio de tenses residuais compressivas numa camada

    superficial externa fina. Assim, uma tenso de trao superficial de origem externa ser

    parcialmente anulada, reduzindo a probabilidade de formao de uma trinca. Tenses

    residuais de compresso so comumente introduzidas mecanicamente atravs de deformaes

    plsticas localizadas na regio da superfcie externa. Em um processo conhecido como

    jateamento (shot peening), partculas pequenas e duras so projetadas com velocidades

    elevadas contra a superfcie a ser tratada. A Figura 14 indica o quanto a rugosidade

    superficial, caracterizada pelos diversos processos de fabricao, influncia o comportamento

    em fadiga de materiais. Na referida figura, o fator de superfcie um coeficiente que

    multiplica o limite de resistncia fadiga, ou seja, quanto maior este fator, maior a resistncia

    fadiga da pea.

  • 37

    Figura 14 - Fator de reduo do limite de fadiga devido a vrios tratamentos superficiais.

    Fonte: Strohaecker (2003).

    De acordo com Strohaecker (2003), a corroso afeta o desempenho em fadiga,

    diminuindo o limite de fadiga da pea, conforme tambm pode ser na Figura 14. O fenmeno

    da corroso pode ser caracterizado como a destruio do metal atravs de uma ao mecnica,

    qumica ou eletroqumica, que, uma vez iniciada, tende a continuar com progressiva

    intensidade, levando a rpida deteriorao do material. Em alguns casos, a prpria pelcula

    formada por reaes de oxidao, age como uma camada protetora, retardando o processo

    corrosivo. Especificamente nos metais, a formao desta pelcula de xido do prprio metal,

    que, por si s, no prejudicial ao metal de base, a menos que sua continuidade superficial

    seja alterada ou rompida por agentes mecnicos, fsicos ou qumicos, protege o substrato e

    impede a progresso do efeito corrosivo destrutivo [Gomes, 2005]. A rugosidade superficial

    facilita a adeso de partculas na superfcie da pea, o que pode ser prejudicial por acelerar a

    corroso, ou benfico por permitir uma melhor adeso de pelculas protetoras, sejam do

    prprio metal oxidado, ou intencionalmente depositadas para inibir a corroso. Por outro lado,

    a rugosidade da superfcie pode aumentar sua rea de contato com o meio e assim influenciar

    significativamente o grau de resistncia corroso. Gonzlez (1998) coloca que, no que diz

    respeito corroso, superfcies com um acabamento superficial esmerado retm quantidade

    menor de lquidos ou vapores corrosivos, tornando-as mais resistentes ao corrosiva.

  • 38

    1.2.5. Escoamento de Fluidos

    Existem basicamente dois tipos de escoamento de fluidos: o laminar e o turbulento.

    Segundo Shames (1995), o escoamento laminar uma configurao ordenada, onde as

    camadas do fluido so consideradas deslizando umas sobre as outras, enquanto que o

    escoamento turbulento apresenta flutuaes irregulares, podendo ser considerado como a

    superposio de um escoamento aleatrio sobre um escoamento ordenado. Incropera &

    DeWitt (1998) afirmam que pequenas perturbaes nas linhas de corrente de um escoamento

    laminar podem acabar levando a condies de turbulncia. Essas perturbaes podem ter

    origem na corrente livre ou ser induzidas pela rugosidade da superfcie. O incio da

    turbulncia depende do fato de essas perturbaes serem amplificadas ou atenuadas na

    direo do escoamento do fluido, o que, por sua vez, depende da razo entre as foras de

    inrcia e as foras viscosas (o numero de Reynolds). Se o nmero de Reynolds for pequeno,

    as foras de inrcia so pequenas em relao s foras viscosas e as perturbaes tendem a ser

    dissipadas mantendo o escoamento em regime laminar. Para um nmero de Reynolds alto, as

    foras de inrcia so suficientemente elevadas para amplificar as perturbaes e ocorre a

    transio para o regime turbulento. A Figura 15 apresenta este comportamento para uma placa

    plana. Cabe salientar que o nmero de Reynolds diretamente proporcional velocidade do

    fludo e ao comprimento da placa.

    Figura 15 - Escoamento laminar e turbulento sobre uma placa plana.

    Fonte: Incropera & DeWitt (1998).

    Quando as partculas de um fluido em escoamento entram em contato com uma

    superfcie parada, elas passam a ter velocidade nula e a atuar ento no retardamento do

    movimento das partculas da camada de fluido adjacente. Esse retardamento do movimento

  • 39

    ocorre sucessivamente para cada camada de fluido, at uma determinada distncia da

    superfcie, onde o efeito se torna desprezvel. Dessa forma, o escoamento do fluido

    caracterizado pela existncia de duas regies distintas, uma fina camada de fluido (camada

    limite), onde os gradientes de velocidade e as tenses cisalhantes so grandes, e uma regio

    exterior camada limite (corrente livre), onde estes gradientes e tenses so desprezveis.

    Conforme pode ser observado na Figura 15, com o aumento da distncia percorrida pelo

    fluido (tamanho da placa), os efeitos da viscosidade penetram cada vez mais na corrente livre,

    e a camada limite aumenta [Incropera & DeWitt, 1998].

    Considerando superfcies em movimento, por exemplo uma bola, Rubini & Aguiar

    (2004) colocam que a camada limite uma regio que tende a se mover junto com a

    superfcie. Para os autores, isso explica porque as ps de um ventilador ficam sujas, pois as

    partculas de poeira acumuladas na superfcie esto dentro da camada limite, onde no h

    vento para varr-las. Uma superfcie, ao deslocar-se em um fluido (gs ou lquido), levando

    de arrasto consigo a camada limite gasta maior quantidade de energia. Segundo Frana (2002)

    o arrasto depende da forma e da rugosidade da superfcie. Assim, a utilizao de texturas

    superficiais permite alteraes considerveis no que diz respeito resistncia devido ao

    arrasto, conforme ser abordado a seguir.

    Para baixos nmeros de Reynolds (menores velocidades e/ou menores dimetros), a

    camada limite laminar e envolve completamente a bola, j para Reynolds um pouco

    maiores, a camada limite separa-se da esfera na parte posterior. A separao se deve ao fato

    de que as partculas de fluido que se chocam com a superfcie frontal da esfera so levadas ao

    repouso, com um conseqente aumento e presso. A partir deste ponto, o fluido avana para

    as prximas regies de menor presso (gradiente de presso favorvel) e a camada limite

    desenvolve-se at o momento em que a presso atinge um valor mnimo. Na parte traseira da

    esfera o fluxo ocorre com um gradiente de presso desfavorvel e o fluido no tendo energia

    suficiente para vencer a presso crescente desacelera, podendo parar e inverter sua direo

    formando vrtices e se afastando da superfcie. As partculas que se afastam da superfcie

    formam, na parte posterior da esfera, uma chamada esteira, a qual contribui para a fora de

    arrasto [Shames, 1995]. Assim, ocorre uma diminuio significativa da presso na parte de

    trs da esfera, os efeitos inerciais passam a dominar e h uma tendncia de aumentar o arrasto.

    Como j exposto, com o suficiente aumento do nmero de Reynolds (maiores velocidades

    e/ou maiores dimetros), o escoamento torna-se turbulento. A turbulncia permite que a

  • 40

    camada limite resista melhor tendncia de separao, e assim o ponto de descolamento

    move-se mais para trs da esfera, diminuindo a rea da esteira. A contrao da esteira reduz a

    rea da esfera submetida a baixas presses, causando uma diminuio da resistncia do ar.

    Este fenmeno conhecido como crise do arrasto e pode ser observado na Figura 16 [Rubini

    & Aguiar, 2004].

    Figura 16 - Separao da camada limite em uma esfera; (a) laminar e (b) turbulenta. Fonte: Rubini & Aguiar (2004).

    Segundo Rubini & Aguiar (2004), a textura da superfcie tambm afeta o escoamento

    na camada limite. Uma esfera rugosa ir sofrer a crise em um nmero de Reynolds inferior ao

    de uma esfera lisa. A rugosidade precipita a turbulncia na camada limite e,

    conseqentemente, diminui a resistncia do ar a altas velocidades. Parece estranho que uma

    bola spera oferea menos resistncia ao ar do que uma lisa, mas exatamente o que

    acontece. Por exemplo, as bolas de golfe tm buracos cavados por toda a sua superfcie, pois

    isto permite que elas sejam arremessadas a maiores distncias. Atualmente at algumas bolas

    de futebol vm apresentando texturas similares s bolas de golfe (Figura 17).

    Figura 17 - Bolas texturizadas; (a) golfe e (b) futebol. Fonte: Rubini & Aguiar (2004).

  • 41

    Scott (2005) reporta que texturas vm sendo empregadas em avies, especialmente

    nas asas, visando criar o mesmo efeito das reentrncias nas bolas de golfe. Neste caso o

    objetivo criar a turbulncia para retardar a separao da camada limite e aumentar a

    sustentao do avio. Ainda em referncia bola de golfe, Sharkoon (2005) apresenta um

    ventilador com esta textura na superfcie da hlice (Figura 18). Neste caso a textura fornece

    um maior fluxo de ar, tornando o ventilador mais eficiente a menores velocidades de rotao,

    conseqentemente, ou seja, menor consumo de energia e maior capacidade de arrefecimento.

    A textura tambm permite uma operao com menor vibrao e menor rudo sonoro.

    Figura 18 - Ventilador com hlice texturizada. Fonte: Sharkoon (2005).

    A possibilidade de aplicao de texturas com vistas ao melhor escoamento de fluidos

    tambm uma realidade no atletismo. Knobel (2004) afirma que o limite fsico dos atletas de

    grande porte est sendo atingido e que nos ltimos anos eles tm se beneficiado de incrveis

    melhorias tecnolgicas para continuar batendo recordes. Roupas com texturas especiais, por

    exemplo para natao e ciclismo, vm sendo desenvolvidas com vistas reduo do atrito do

    corpo com a gua. Apesar de esse atrito superficial ser relativamente pequeno em comparao

    com as demais foras contrrias ao movimento do nadador na gua, ele pode provocar atrasos

    de alguns centsimos de segundos, cruciais para uma medalha ou recorde. Segundo Cohen

    (2001), os fabricantes de mais combatem o atrito com um traje mais hidrodinmico, com

    pequenas estruturas em forma de V, inspirado na pele de tubaro. Minsculos sulcos no tecido

    permitem que a gua passe pelo corpo mais livremente. O fluxo da gua direcionado sobre o

    corpo, reduzindo o arrasto e a turbulncia na piscina. Na realidade a textura da pele do

    tubaro muda conforme a regio do corpo para poder acoplar o fluxo de gua s diferentes

  • 42

    formas de sua anatomia; isso j est presente nos novos trajes, reduzindo em torno de 4% o

    atrito superficial, e inclusive varia conforme o sexo do nadador e a modalidade de nado

    escolhida [Knobel, 2004].

    O escoamento de fluidos sobre superfcies particularmente importante em

    aplicaes que envolvam transferncia de calor. O tipo de escoamento do fluido exerce

    grande importncia na remoo de calor por conveco.

    1.2.6. Transferncia de Calor

    Segundo Incropera & DeWitt (1998) transferncia de calor, ou simplesmente calor,

    a energia em trnsito devido a uma diferena de temperatura. Sempre que existir uma

    diferena de temperatura em um meio ou entre meios diferentes, haver, necessariamente,

    transferncia de calor. No desenvolvimento de um produto em que importante o

    comportamento trmico, devem-se considerar trs modos distintos de transferncia de calor:

    conduo, conveco e radiao trmica (Figura 19).

    Figura 19 - Modos de transferncia de calor: conduo, conveco e radiao. Fonte: Incropera & DeWitt (1998).

    A conduo ocorre quando existe um gradiente de temperatura em um meio

    estacionrio que pode ser um slido ou um fluido. Neste modo h troca de energia cintica

    entre as molculas do meio, devido s vibraes e colises entre elas. A conduo

    importante nos casos onde ocorre contato fsico direto entre a superfcie e o usurio. O modo

    de transferncia por conveco ocorre entre uma superfcie e um fluido (lquido ou gs) em

    movimento, quando eles se encontram em temperaturas diferentes. A conveco composta

    pela transferncia de energia devido ao movimento molecular aleatrio (difuso) e ao

  • 43

    movimento global do fluido. Este movimento global permite o transporte da energia de ou

    para pontos mais afastados do meio fluido. A radiao trmica a energia emitida, atravs de

    ondas eletromagnticas (ftons), por toda superfcie que esteja a uma temperatura absoluta

    no-nula. Normalmente estudada a radiao emitida por slidos, no entanto, as emisses

    tambm ocorrem a partir de gases e lquidos. A transferncia de calor por radiao no

    necessita de um meio material e, de fato, ocorre mais eficientemente no vcuo [Incropera &

    DeWitt, 1998]. A textura superficial influencia direta ou indiretamente nos trs modos de

    transferncia de calor, ou seja, tanto na conduo, quanto na conveco e na radiao.

    a) Influncia na Conduo

    Em sistemas compostos de mais de um componente, ocorre uma queda de

    temperatura nas interfaces entre os materiais. Esta mudana na temperatura superficial

    conhecida como resistncia trmica de contato e atribuda principalmente aos efeitos da

    rugosidade da superfcie. Pontos de contato se entremeiam com falhas que so, na maioria dos

    casos, preenchidas com ar. Portanto, na prtica, a transferncia de calor devida conduo

    atravs da rea de contato real e conduo e/ou radiao atravs das falhas (Figura 20).

    Tipicamente, a rea de contato pequena e, sobretudo no caso de superfcies rugosas, a

    principal contribuio para a resistncia trmica de contato fornecida pelas falhas. Para

    slidos cujas condutividades trmicas so superiores do fluido presente nas falhas (fluido

    interfacial), a resistncia de contato pode ser reduzida pelo aumento da rea dos pontos e

    contato. Tal aumento pode ser obtido por um acrscimo na presso de contato e/ou pela

    reduo da rugosidade das superfcies em contato [Incropera & DeWitt, 1998]. Gonzlez

    (1998) mostra esta influncia da rugosidade superficial na transmi