Como Projetar para Rigidez: Um Guia para Usar Propriedades de Materiais para Melhor Rigidez de Peças

A maioria das peças com falha não se quebra em dois pedaços. Em vez disso, elas falham porque dobram, flexionam ou mudam de forma demais. Elas simplesmente não são rígidas o suficiente. Este artigo é meu guia para ajudá-lo a não cometer esse erro comum. Veremos como projetar para rigidez. Faremos isso escolhendo as propriedades certas do material e o formato da peça. Se você já fez uma peça que parecia fraca ou dobrava quando você colocava peso sobre ela, este artigo é para você. Mostrarei as ideias simples que você pode usar para tornar uma peça mais forte e rígida.

Quais são os fundamentos da rigidez e da dureza?

Vamos começar com as coisas simples. O que é rigidez? Simplificando, rigidez é uma forma de medir o quanto uma peça luta contra a flexão ou mudança de forma quando você a empurra ou puxa. Esse empurrão ou puxão é chamado de carga. Pense em uma régua de plástico. Quando você a empurra, ela dobra. O quanto ela dobra com essa carga mostra o quão rígida ela é. Uma peça realmente rígida quase não se move. Uma peça flexível mostrará muita deformação.

É muito importante saber que rigidez não é a mesma coisa que resistência. Resistência, ou resistência ao escoamento, diz o quanto uma peça pode suportar antes de quebrar. Ou antes de dobrar e permanecer dobrada. Rigidez é sobre flexão temporária que volta ao normal. Isso é chamado de deformação elástica. Uma peça rígida não quer fazer esse tipo de deformação. Uma peça pode ser muito forte, mas não muito rígida. Pense em um cabo de aço. Ele pode suportar uma carga muito pesada sem quebrar (isso é alta resistência). Mas não é nada rígido. Quando projetamos para rigidez, nosso principal objetivo é impedir ou diminuir essa mudança de forma indesejada quando uma carga está na peça.

Por que o Design para Rigidez é Tão Importante?

Aprendi que, para muitos trabalhos, a rigidez é muito importante. Pense em uma estante de livros. Você quer que ela segure seus livros sem dobrar no meio. A prateleira não precisa ser forte o suficiente para segurar um carro. Mas precisa de rigidez de peça suficiente para suportar a carga dos livros sem muita deflexão. Se ela dobrar, não está funcionando direito, mesmo que não esteja quebrada. Este é um problema com rigidez, não um problema com resistência.

Essa ideia é verdadeira para muitas coisas. Na estrutura de um carro, alta rigidez é necessária para que o carro dirija bem e a estrutura seja segura. Em uma Maquinação CNC ferramenta, a estrutura deve ser extremamente rígida para que possa fazer cortes muito exatos. Se a ferramenta de corte se mover um pouco com a carga, a peça que está sendo feita estará errada. Quando você coloca uma carga em um componente, é super importante que ele mantenha sua forma. Se você se esquecer da rigidez, sua peça pode não funcionar bem ou pode falhar completamente. A estrutura se deformará e pode não fazer seu trabalho com sua carga normal.

Como você descobre a rigidez de um material?

Então, como podemos descobrir o quão rígido um material é por si só? Usamos um número especial para isso. É chamado de Módulo de Elasticidade. Também é conhecido como Módulo de Young. Eu sei que pode parecer difícil, mas a ideia é fácil. O módulo elástico é um número que diz o quão rígido um material é. Um número maior para o módulo elástico significa que o material é mais rígido. Esta é uma das propriedades do material mais importantes que observamos.

Para deixar claro, vamos dar uma olhada no módulo para alguns materiais que as pessoas costumam usar. O módulo é geralmente medido em libras por polegada quadrada, ou PSI. Um número maior significa que é mais difícil fazê-lo mudar de forma.

Como você pode ver, a diferença é muito grande! O módulo para aço é muito maior do que o módulo para nylon. Isso significa que, se você tiver a mesma forma e a mesma carga, uma peça de aço dobrará muito menos do que uma peça de nylon. O módulo de elasticidade é uma propriedade muito importante que você tem que pensar.

Qual o papel desempenhado pela seleção de materiais?

A primeira e mais fácil maneira de tornar uma peça mais rígida é escolhendo o material certo. Isso é chamado de seleção de material. Se o seu projeto precisa ter alta rigidez, você deve começar procurando materiais com um alto módulo elástico. Usar um material com um módulo maior é geralmente a maneira mais simples de aumentar a rigidez de um componente. Por exemplo, se uma peça feita de uma liga de alumínio é muito flexível, mudar para aço, imediatamente, a tornará cerca de três vezes mais rígida.

A escolha que você faz muda tudo. Se você precisa de uma peça que seja leve, mas também muito rígida, você pode olhar para algo como um composto de fibra de carbono. A fibra de carbono tem um módulo muito alto para o quão pouco pesa. Mas também custa muito dinheiro. Se você está fazendo uma peça simples com um molde de injeção, você pode escolher um nylon preenchido com vidro em vez de um nylon normal para obter esse aumento de rigidez. As propriedades do material que você escolhe são como os blocos de construção para o seu projeto. Escolher o material errado pode causar um grande problema que é difícil de corrigir mais tarde. Temos que descobrir o que precisamos primeiro para escolher o material certo.

Um Assistente de Seleção de Materiais Pode Ser Útil?

Com tantos materiais disponíveis, como você escolhe um? Há muito tempo, eu costumava passar muitas horas procurando em livros grandes e grossos. Agora, temos a sorte de ter ferramentas úteis. Um assistente de seleção de material é um tipo de programa de computador que ajuda um engenheiro a encontrar o melhor material para uma tarefa. Você pode dizer ao programa quais propriedades do material você está procurando.

Por exemplo, você pode dizer ao assistente de seleção de material: “Preciso de um material para uma peça de um molde de injeção. Precisa de um módulo de elasticidade acima de 1.000.000 PSI e uma resistência ao escoamento de pelo menos 8.000 PSI.” O programa então mostrará uma lista de plásticos, como um nylon preenchido com vidro, que atendem às suas necessidades. Economiza muito tempo. Também ajuda você a encontrar novos materiais que você não conhecia. Ajuda você a encontrar o melhor material para não mudar de forma sob uma certa carga.

Como Você Usa a Ideia de Momento de Inércia?

Esta próxima parte é a minha favorita. O material que você usa é apenas parte da resposta. A outra parte é a forma do objeto! A “rigidez da forma” é explicada por algo chamado momento de inércia. Esta é uma ideia muito básica e importante. Deixe-me mostrar o que quero dizer. Pegue uma régua e coloque-a plana sobre dois livros. Empurre para baixo no meio. Ela dobra facilmente, não é? Agora, coloque a régua em pé em sua borda fina e empurre para baixo com a mesma carga. É muito mais difícil fazê-la dobrar.

Isso mostra como o momento de inércia funciona. A régua é feita do mesmo material (então tem o mesmo módulo elástico). Tem a mesma quantidade de material em ambas as configurações. Mas a forma e a maneira como ela é virada para a carga mudaram. Uma forma que é alta e fina é muito mais rígida do que uma que é curta e larga quando a carga empurra para baixo. A fórmula para o momento de inércia de um retângulo simples mostra que a altura é muito importante. Isso significa que, se você dobrar a altura de uma viga ao longo do eixo da carga, ela se tornará oito vezes mais rígida! Esta é uma ótima maneira de melhorar a rigidez da peça, e você não precisa adicionar muito peso.

Como a forma de uma peça afeta o dobramento?

Agora, vamos juntar essas ideias. O quão rígida uma peça acaba sendo vem de duas coisas: o módulo elástico do material e o momento de inércia da peça. O quanto uma peça dobra sob uma carga tem uma ligação direta com essas duas coisas. Uma maneira simples de entender isso é uma regra prática: a rigidez de uma peça está diretamente ligada ao seu módulo multiplicado pelo seu momento de inércia. Para fazer algo dobrar menos, você pode tornar qualquer um desses maior.

Se você tem uma viga com uma carga sobre ela, você tem duas maneiras de torná-la mais rígida. Primeiro, você pode usar um material com um módulo mais alto. Por exemplo, você pode mudar de plástico para aço. Segundo, você pode mudar a forma e o tamanho da viga para tornar seu momento de inércia maior. Por exemplo, você pode tornar a viga mais profunda. Um bom engenheiro usa ambas essas ideias para tornar um projeto melhor. Eles mudam a estrutura para obter os melhores resultados pelo menor custo e peso. Geralmente é mais barato mudar a forma do que usar um material que custa mais dinheiro, como uma liga de carbono.

O que é Análise de Elementos Finitos (FEA) e Quando Você Deve Usá-la?

Para peças com formas complicadas, é difícil descobrir a flexão e a tensão apenas fazendo matemática. É quando usamos uma ferramenta de computador forte chamada Análise de Elementos Finitos, ou FEA. Eu uso FEA muito frequentemente para verificar meus projetos. Com FEA, um engenheiro pode fazer um modelo 3D de um componente no computador. Então, o engenheiro pode testá-lo no computador antes de fazer um real.

Em um estudo de FEA, você coloca uma carga no modelo de computador. O programa FEA então descobre como a estrutura mudará sua forma. Também mostra as áreas com alta tensão. O resultado é geralmente uma imagem com cores. Por exemplo, vermelho pode mostrar alta tensão ou muita deflexão, e azul pode mostrar baixa tensão. Esta é uma ótima maneira de “ver” o que sua peça fará. Você pode usar um estudo de FEA para experimentar rapidamente diferentes materiais e formas. Uma ferramenta FEA é uma parte fundamental para tornar uma estrutura complexa melhor e reduzir a tensão. É uma parte muito importante do design moderno para rigidez.

Como Você Pode Usar Essas Ideias em um Exemplo da Vida Real?

Vamos fingir que estamos fazendo um suporte de plástico usando um processo de molde de injeção. O suporte é destinado a segurar uma pequena prateleira. O primeiro que fizemos, usando nylon padrão, dobra demais quando colocamos uma carga sobre ele. A deflexão é muito grande. O que devemos fazer? Usamos as ideias que discutimos.

Primeiro, vamos dar uma olhada na nossa seleção de material. Nosso nylon normal tem um módulo baixo. Podemos mudar para um nylon preenchido com vidro. Este material tem um módulo elástico muito maior. Isso tornará o componente mais rígido. Segundo, vamos mudar a forma para tornar o momento de inércia melhor. Podemos adicionar paredes finas, chamadas nervuras, ao suporte. As nervuras tornam a peça mais profunda e rígida ao longo do eixo da carga, mas não usam muito mais material. Terceiro, podemos fazer um estudo de FEA rápido. Podemos modelar tanto o novo material quanto as novas nervuras em nosso programa FEA. Aplicamos a mesma carga, e a saída do FEA nos mostrará a nova deflexão menor. Este processo de FEA nos ajuda a garantir que nosso projeto é bom antes de gastarmos dinheiro em um novo molde de injeção.

Como você finalmente encontra o melhor design?

Como sabemos quando nosso projeto está pronto? Nosso objetivo é encontrar o melhor projeto. Isso significa um projeto que é rígido o suficiente, mas também custa o mínimo possível e pesa o mínimo possível. Para descobrir isso, você tem que primeiro definir seu objetivo. Para o suporte de prateleira, nosso objetivo poderia ser: “O suporte não pode dobrar mais de 0,1 polegadas quando uma carga de 20 lbf está sobre ele.”

Uma vez que temos este objetivo claro, podemos usar FEA para experimentar diferentes ideias.

• Ideia 1: Use um plástico que custa mais, mas tem alta rigidez, com uma forma simples.
• Ideia 2: Use o nylon mais barato, mas adicione nervuras que têm uma forma complexa.
• Ideia 3: Use uma peça de liga de alumínio que é feita com usinagem CNC.

Podemos executar um FEA para cada ideia. Para cada projeto, descobrimos o quão bem ele funciona e quanto custa. O melhor projeto é aquele que atinge nosso alvo de flexão de 0,1 polegadas e custa menos. É trabalho de um engenheiro encontrar uma boa mistura entre essas coisas. Usar FEA nos ajuda a escolher sabiamente com base em boas informações. Ajuda-nos a fazer uma estrutura que pode suportar a carga que se destina a transportar. É disso que se trata uma boa engenharia e um bom design para rigidez.

Principais conclusões para lembrar

Aqui estão as coisas mais importantes que aprendi sobre projetar para rigidez usando propriedades do material.

• Rigidez não é resistência: Não se esqueça, rigidez significa que pode impedir-se de dobrar (deformação) quando há uma carga. Resistência significa que pode impedir-se de quebrar.
• Material é importante: Você pode dizer o quão rígido um material é pelo seu Módulo de Elasticidade. Um módulo maior significa que o material é mais rígido.
• Forma é muito poderosa: A forma de uma peça, que chamamos de sua geometria, é tão importante quanto o que ela é feita. Uma ótima maneira de tornar uma peça mais rígida é torná-la mais profunda.
• Use novas ferramentas: Pense na Análise de Elementos Finitos (FEA) como um amigo útil. Use FEA para testar seus projetos em um computador para ver como eles mudarão de forma sob uma carga antes de construir a coisa real.
• Misture e faça melhor: Os melhores projetos usam uma mistura de uma boa escolha de material e uma forma realmente boa. Isso ajuda você a obter a rigidez que você precisa, mantendo o custo e o peso baixos. Sempre use essas ideias básicas para tornar seus projetos melhores.