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Digitalização 3D Aplicada à Manutenção de Equipamentos Industriais.

DE MATTOS, Vinicius.

Resumo

O objetivo do presente estudo é demonstrar a aplicabilidade das modernas técnicas de digitalização 3D (tridimensional) para a especificação de componentes mecânicos destinados à manutenção de equipamentos industriais. Existe considerável número de equipamentosem funcionamento nas refinarias, indústrias químicas e petroquímicascom mais de duas décadas de uso continuo, os quais não contam com o suporte do fabricante, ou não possuem especificações e/ou desenhosatualizados de suas partes e peças o que dificultaa obtenção das mesmas e representa impedimento para o correto e seguro funcionamento e manutenção destes. Os equipamentos digitalizadores 3D e softwares de engenharia reversa atualmente disponíveis oferecem condições de obter as características dimensionais de componentes de forma produtiva e com precisão suficiente para reproduziros mesmosobjetivando a construção dos modelos digitais CAD (Computer Aided Design) 3D que por sua vez possibilitam os desenvolvimentos em CAM (Computer AidedMachining) para a manufatura das peças.

O estudo foi desenvolvido como parte do projeto de obtenção de peças para a manutenção de um compressor industrial com mais de trinta anos de funcionamento e demonstra a viabilidade do investimento na reforma do equipamento usado, considerando os custos de um equipamento novo substituto e a expectativa de tempo de vida parao equipamento reformado.

Palavras-chave: Engenharia Reversa, Digitalização 3D, Escaneamento 3D, Manutenção de Equipamentos industriais.

 

Abstract

The objective of this study is to show the application of modern technics of tridimensional (3D) scanning for mechanical components specification used in the maintenance of industrial equipment. There exists a considerable number of equipmentin refineries, chemical and petrochemical industries, running continuously for more than two decades which do not count on OEM support and consequently do not have updated drawings orspecifications for its replacement parts and components available. The described situation, difficulty the maintenance and represents barriers for the correct and safe use of the same. The 3D scanners and reverse engineering softwares currently available, offer conditions to obtain dimensional characteristics of components productively and with enough precision to reproduce the components surfaces with the aim of generate CAD digital models needed for the development of CAM for the parts manufacturing.

The study was developed as part of a project to obtain replacement parts for an industrial compressor running for more than thirty years and demonstrates the feasibility of investments in the refurbishment of the old equipment, considering the costs of substitute new equipment and the expected lifetime of the refurbished one.

Keywords: Reverse Engineering, 3D Digitalization, 3D Scanning, Industrial Equipment Maintenance.

1 – Introdução

Os processos produtivos das refinarias, indústrias petroquímicas e químicas são altamente dependentes do adequado funcionamento dos mais diversos tipos de equipamentos mecânicos, tais como: Compressores, bombas, turbinas, redutores e motores diversos. Muitos destes equipamentos possuem customizações para adequação de seu padrão de funcionamento a condições especificas de projeto da planta em referencia e trabalham de maneira continua com elevado grau de confiabilidade e segurança operacional.

Tendo em vista que essas indústrias iniciaram suas atividades no Brasil na década de 30, e seu crescimento mais expressivo ocorreu a partir dos anos 50, sendo os primeiros complexos petroquímicos estabelecidos nos anos 60, é possível estimar a existência de milhares de equipamentos instalados quando da constituição destes parques industriais e que se mantém em funcionamento ainda nos dias de hoje, os quais carecem de adequada manutenção para garantir a continuidade da produção dentro de parâmetros econômicos financeiros apropriados a atividade.

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Tabela 1: Ano de entrada em operação – Refinarias Petrobras

 

Vale ressaltar que a vida útil de projeto destes equipamentos é em geral superior a 20 anos, dentro das condições de manutenção e manobra especificadas pelo fabricante, contudo, existe um expressivo número de máquinas que ultrapassam esta expectativa de vida e podem seguir funcionando por período maior através de “retrofits” e manutenções mais profundas.

A soma da longevidade dos equipamentos e o processo normal de desenvolvimento de mercado, que ao longo de décadas resultou em um movimento natural de fusões, aquisições, incorporações e fechamento das empresas fabricantes destes equipamentos, cria um cenário de dificuldade de acesso a manutenção do parque instalado, pois muitos dos equipamentos deixam de contar com assistência e suporte do fabricante e consequentemente a indústria passa a vivenciar perdas operacionais por paradas não programadas e por vezes é forçada a fazer a substituição de um equipamento, não pela sua obsolescência produtiva de fato, mas pela dificuldade de acesso a assistência e manutenção adequada ao mesmo.

2 – Objetivo

Este trabalho visa demonstrar que a aplicação de tecnologias modernas de metrologia por captação de imagens aplicada de maneira correta pode prolongar a vida útil de equipamentos mecânicos comumente utilizados pela indústria, garantindo uma operação confiável e segura. O emprego destas tecnologias aliada a técnicas de engenharia reversa, constitui tambémuma ferramenta importante em estudos de melhoria de funcionamento e aumento de capacidade de plantas, elevando as discussões sobre substituição de equipamentos a uma esfera de profundo estudo econômico financeiro da planta, pois em muitos casos o investimento no equipamento existente, mesmo que este possua uma idade de operação avançada se comprova mais vantajosa do que sua substituição.

3. Introdução as tecnologias de digitalização e medição ótica

Os processos de desenvolvimento de componentes mecânicos evoluíram nos últimos anos e atualmente é raro encontrar empresas que desenham ou especificam componentes sem o auxílio de softwares CAD. Na área mecânica, a utilização de pacotes 3D já ultrapassou o uso de soluções bidimensional (2D)devido as vantagens de visualização e simulação que a modelação em 3D proporciona.

Existem diferentes tecnologias disponíveis em equipamentos digitalizadores, cada uma delas apresenta diferentes benefícios, limitações e custos. A figura 1 abaixo apresenta de maneira resumida a classificação dos principais tipos de digitalizadores (“scanners”) 3D atualmente encontrados no mercado.

Figura 1 - Classificação – Principais tipos de digitalizadores

Figura 1 – Classificação – Principais tipos de digitalizadores

 

Os digitalizadores manuais apresentam grande versatilidade quanto à utilização, são ideais para a aplicação em locais de espaços reduzidos e apresentam grande mobilidade e normalmente utilizam a tecnologia chamada “Triangulação 3D de Laser” (Triangulation 3D laser). Esta tecnologia esta baseada na emissão de um laser sobre a superfície e a captação de seu posicionamento através de uma câmera, formando uma triangulo conforme demonstra a figura 2. Através de cálculos usando os ângulos de emissão e recepção o equipamento é capaz de determinar o posicionamento do ponto no espaço.
Como o objetivo é determinar as dimensões de uma superfície e não somente um ponto no espaço, os equipamentos utilizam um feixe de laser ao invés de um simples ponto, fazendo uma varredura sobre a superfície do objeto a ser digitalizado.

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Figura 2 – Captação por Triangulação tridimensional de laser

 

Cabe mencionar que os equipamentos manuais apresentam precisão reduzida devido as dificuldades de gerar uma malha de ponto uniforme, como consequência da falta de controle de distancia e velocidade de varredura, intrínseca ao processo, assim sendo; com o objetivo de aumentar a precisão destes equipamentos através de uma varredura mais uniforme, alguns equipamentos são acoplados a braços articulados. Os braços articulados são instrumentos já de longa data aplicados na medição por contato, trouxeram mobilidade aos sistemas CoordinateMeasuringMachines (CMM), figura 5, permitindo que os sistemas de medição por contato fossem utilizados fora das salas de medição, para avaliações de equipamentos ou componentes de grandes dimensões no campo ou daqueles que não podiam ser posicionados nos equipamentos estacionários. Os fabricantes e fornecedores de braços articulados vêm oferecendo scanners como acessórios para acoplamento aos braços articulados, sendo o sistema referenciado aos eixos do braço e consequentemente carregando a soma de suas tolerâncias, ou seja, apesar da melhoria da uniformidade de captação o sistema ainda apresenta precisão limitada.

Os equipamentos mais utilizados para digitalização de componentes mecânicos são os digitalizadores de área, estes podem ser de dois tipos: luz modulada ou luz estruturada. Os scanners laser, também conhecidos como “modulated light scanners” aplicam uma fonte de luz com amplitude cíclica sobre o objeto, geralmente variando de forma senoidal. A câmera identifica a luz refletida e conforme a variação do retorno é estabelecida a distância percorrida pela luz. A interferência de outras fontes luminosas é menor neste tipo de scanner, que ignoram outras fontes que não o laser.

Os digitalizadores de luz estruturada projetam uma malha de luz sobre o objeto utilizando um projetor de luz, LED ou outra fonte estável de luz, conforme mostra a figura 3. Uma câmera é utilizada para capturar a deformação da malha projetada na superfície.A vantagem dos digitalizadores de luz estruturada reside na captação de múltiplos pontos do campo de visão de uma única vez o que lhe garante maior precisão e velocidade quando comparado com digitalizadores que utilizam o método de triangulação, além de reduzir ou até mesmo eliminar os problemas de distorção de movimento e desta forma alguns sistemas com a utilização desta tecnologia são capazes de digitalizar objetos em movimento em tempo real.

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Figura 3 – Processo de captação de imagem com luz estruturada

4. Metodologia

Este trabalho apresenta os processos utilizados para a especificação e projeto de partes de um compressor industrial, através de recursos modernos de engenharia reversa se valendo da digitalização 3D.
Essas técnicas estão sendo cada vez mais aplicadas nas atividades de manutenção, pela inexistência das especificações originais, justificada pelo fechamento do fabricante ou então pela execução da manutenção por empresa terceira que não possui acesso às especificações do fabricante. Uma situação também comum é a inexistência de modelos 3D atualizados, para a reprodução dos componentes, uma vez que o projeto foi realizado quando não havia a disponibilidade dos recursos 3D que existem hoje.
Considerando o processo de manutenção, vale comentar que a rapidez na especificação e projeto desses componentes é fundamental, para que somado aos processos de manufatura e montagem, conduzam a um intervalo mínimo de parada dessas máquinas.

4.1. Objeto de estudo

O objeto de estudo é um compressor alternativo de pistão modelo 2K90-2A, utilizado para compressão de gás Amônia (NH3) na planta da Braskem localizada em Alagoas. Este compressor foi fabricado pela Sulzer Bombas e Compressores do Brasil no ano de 1978, o que lhe confere 34 anos de operação, figura 4.
Este compressor pode ser considerado um equipamento de pequeno médio porte sendo o menor compressor alternativo da família de compressores da Sulzer, possuindo dois pistões cada um responsável por um estagio de compressão.

Figura 4 – Compressor modelo 2K90-2A - Chegada para manutenção

Figura 4 – Compressor modelo 2K90-2A – Chegada para manutenção

 

4.2. Necessidade

Como parte de seu plano estratégico a divisão de compressores alternativos da Sulzer, anteriormente denominada Sulzer-Burckhardt sofreu um processo de desinvestimento, tornando-se independente e recuperando seu nomeoriginal conforme utilizado antes da aquisição pela Sulzer datada de 1969, assim sendo; em 2002 foi reestabelecida a “BurckhardtCompression” com sede na cidade de Winterthur na Suíça.
Ocorre que na data de fabricação do compressor objeto do estudo, a indústria produzia e desenhos de forma quase artesanal, utilizando papel vegetal e nanquim, desta forma todos os planos de fabricação do referido equipamento foram gerados manualmentee devido as mudanças de estrutura da empresa, transferências físicas de locais de armazenagem, alguns desenhos não foram encontrados e outros estavam ilegíveis devido a ação do tempo e uso ao longo de décadas.
Em 2013 o equipamento foi enviado foi enviado para manutenção nas instalações do fabricante e foi verificada a necessidade de gerar novos desenhos, com o objetivo de possuir o desenho em formato eletrônico que permitisseo processamento para fabricação e também a incorporação de melhorias utilizando os softwares de desenho mecânico computacional, além de possibilitar o arquivamento e manutenção do mesmo dentro das politicas atuais de documentos utilizados pela empresa.
Componentes de geometria simples, tais como a haste do embolo, foram modeladas pelo departamento de engenharia da empresa utilizando o software “Medusa”, a partir de medições realizadas na peça e detalhes dos desenhos antigos, para componentes com detalhes geométricos que dificultavam a aquisição de medidas através de métodos convencionais de metrologia e com traçado envolvendo significativa quantidade de horas para modelação direta através de software de CAD, optamos pelo emprego da tecnologia de digitalização 3D, por reduzir o tempo e custo de aquisição dos componentes.
Os componentes selecionados foram: o eixo de manivelas, a cruzeta e biela do compressor, os quais representavam o caminho critico da manutenção devido ao tempo de aquisição ou reparo dos mesmos.
Salienta-se ainda que a geração do modelo 3D permite a inspeção destes componentes de maneira simples e muito rápida, uma vez que o componente fabricado após “Scaneado” poderá ser sobreposto ao modelo 3D e ter todas as suas tolerâncias comparadas e aferidas através de software, pratica recomendada para componentes de alta responsabilidade e que necessitam de alto grau de confiabilidade como os selecionados para este trabalho. A medição por técnica de captação ótica permite aferir toda a superfície do componente e não somente pontos específicos como os métodos de metrologia por contato, que apesar de conferir altíssima precisão à medida coletada, é restrita e seu resultado final geralmente esta baseada na extrapolação a partir de pontos de medição real. No caso do equipamento utilizado a precisão certificada de medição é de 0,03mm.

Figura 5 – Medição por contato - CMM

Figura 5 – Medição por contato – CMM

4.3. Equipamento utilizado

Existem diversos modelos de digitalizadores 3D com as tecnologias conforme descritas no item três (3) acima e até mesmo suas variações. Não existe uma solução única, ou melhor, tecnologia e equipamento, sendo apropriada sempre a avaliação do que se deseja digitalizar e o objetivo da digitalização. No caso deste trabalho nosso objetivo é a digitalização de componentes mecânicos para, gerando desenhos construtivos com detalhes para possibilitar sua fabricação, o que envolve, portanto precisão quando as medidas e tolerâncias, assim sendo, selecionamos um digitalizador 3D de cinco (5.0) megapixels de luz estruturada LED do fabricante Alemão Steinbichler.

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Tabela 2 – Caracteristicas basicas do equipamento de digitalização utilizado no estudo

Figura 6 – Scaner 3D steinbichler modelo COMET 3D LED 5M

Figura 6 – Scaner 3D steinbichler modelo COMET 3D LED 5M

5. Realização

Como acessório tínhamos disponível uma mesa giratória automática, com passo programado juntamente com o digitalizador, o que facilitou o processo de tomada de imagem, entretanto a mesa disponível estava limitada a peças de até 30 kg, desta forma foi possível sua utilização para a digitalização da Cruzeta e Biela. Utilizamos um padrão de 36 tomadas por giro da mesa, ou seja, uma tomada a cada 10 Graus de rotação da mesa. Padrão suficiente para a geometria das peças. A lente utilizada foi a de 250 com distancia de apenas 100 µm entre pontos de medição, gerando uma superfície bastante detalhada através de uma nuvem de pontos de malha fechada.
O Eixo de manivelas não pode ser colocado sobre a mesa, devido ao seu peso superior ao limite da mesma. O nível de detalhamento requerido necessitou da utilização da lente de 250, entretanto as dimensões da peça exigiram a partição da mesma em três sessões pra captação, com união através do software de captação, desta forma obtivemos detalhes suficientes dos raios existentes nas extremidades de apoio dos mancais, bem como os detalhes da ponta cônica do eixo.

Figura 7 – Medição e digitalização da cruzeta com uso de mesa rotativa

Figura 7 – Medição e digitalização da cruzeta com uso de mesa rotativa

Figura 8 – Fluxo de trabalho utilizado

Figura 8 – Fluxo de trabalho utilizado

 

6. Resultados

Através do processo de digitalização 3D foram obtidos os desenhos 3D dos componentes do compressor com tempo bastante reduzido quando comparado aos métodos tradicionais de modelação direta como demonstra a tabela 3 abaixo.

 

Tabela 3 – Tempo de consumido no projeto

Tabela 3 – Tempo de consumido no projeto

Foram utilizadas vinte e três (23) horas de trabalho para obter desenhos parametrizados em formato aberto, sendo apenas 7 horas de digitalização. Devemos somar duas horas ao tempo descrito na tabela acima para mobilização e calibração inicial do equipamento de digitalização. O trabalho foi executado em três (3) dias sendo um (1) dia para a coleta das imagens e dois (2) dias para o tratamento das mesmas e processamento com utilização do softwareCREO 2.0 do provedor PTC.

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Figura 9 – Cruzeta e Biela em pós-processamento no COMET Plus Steinbichler

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Figura 9 – Cruzeta e Biela em pós-processamento no COMET Plus Steinbichler

 

A utilização desta metodologia possibilitou redução significativa no tempo para aquisição dos planos detalhados, uma grande riqueza de detalhes, somente possível devido a captação por método ótico e ainda criou um modelo 3D para inspeção de peças adquiridas futuramente para compressores da mesma família.
Houve a necessidade de aplicação de engenharia reversa nos colos de mancais das três partes, uma vez que o uso por mais de 30 anos causou desgaste nestas partes, assim sendo foram utilizados padrões de tolerância de mancais comumente utilizados pelo fabricante BurckhardtCompression para acerto durante o detalhamento da modelação destes diâmetros no software de CAD.

Figura 10 – ModelamentoCruzeta e Biela modeladas em CAD PTCCreo 2.0

Figura 10 – ModelamentoCruzeta e Biela modeladas em CAD PTCCreo 2.0

Figura 10 – ModelamentoCruzeta e Biela modeladas em CAD PTCCreo 2.0

Figura 10 – ModelamentoCruzeta e Biela modeladas em CAD PTCCreo 2.0

 

O projeto da Cruzeta e do eixo de manivelas, sofreram pequenas melhorias, com vistas a adequação aos centros de usinagem atualmente utilizados para a fabricação destes componentes, os quais ferramentas diferentes e velocidades de corte mais elevadas, do que as máquinas de usinagem disponíveis na época de projeto do compressor em referencia, desta forma foi modificado o ponto inicio de referencia de usinagem no caso do eixo de manivelas e modificação das tolerâncias para fixação dos contrapesos. Na cruzeta houve modificação na dimensão de abertura interna para montagem da biela, facilitando a entrada da ferramenta de usinagem para acabamento do ponto de assento dos mancais.
Como comparativo, um projeto de manutenção, realizado pela empresa em março de 2012, com equipamento similar do mesmo fabricante modelo 2K140-2B o qual possui como maior diferença em relação ao equipamento objeto de estudo o curso do pistão aumentado de 90mm para 140mm.

 

Figura 11 – Compressor modelo 2K140-2B – Reparo realizado em 2012

Figura 11 – Compressor modelo 2K140-2B – Reparo realizado em 2012

 

Consumiu 49 horas de trabalho de modelação em software de CAD, além de 16 horas de medições em equipamento CMM somente para determinação de alguns pontos da geometria dos componentes. Além disto, houve custos relacionados ao transporte dos componentes uma vez que a empresa não dispõe de CMM própria em suas instalações, por fim as melhorias realizadas na geometria das peças com vistas a facilidade de fabricação trouxeram benefícios de redução de tempo de usinagem em centro de usinagem. E facilidades na inspeção, realizada também através da sobreposição da peça final fabricada sobre o modelo 3D gerado inicialmente, esta metodologia de inspeção além de alta velocidade permite a verificação de toda a geometria da peça fabricada e não somente alguns pontos de referencia como normalmente realizado em maquina CMM.

Figura 12 – Comparação CAD x Digitalização através do COMET Inspect Plus

Figura 12 – Comparação CAD x Digitalização através do COMET Inspect Plus

7. Conclusões

A experiência com a utilização das técnicas de digitalização 3D de componentes mecânicos para manutenção foi positiva, representando redução no tempo e custos relacionados a aquisição de componentes, possibilitou ainda a geração de documentos em mídia eletrônica que poderão ser utilizados futuramente para manutenções de equipamentos da mesma família de compressores, seja para trabalhos de inspeção, recondicionamento ou fabricação de novo componente.
Verificou-se ainda que a aquisição de desenhos parametrizados possibilita a aplicação de melhorias que poderão ser incorporados aos equipamentos, seja para redução de seus custos de manutenção, ou até mesmo para aumento de suas capacidades operacionais.
Importante salientar os benefícios que estas tecnologias podem trazer para equipamentos que não contam com o suporte do fabricante, uma vez que a metodologia permite a obtenção de planos de fabricação dos componentes de desgaste do mesmo.

8. Referencias

  • ANDERSON, Chris. Makers – The new industrial revolution – Nova Iorque, EstadosUnidos da America do Norte, 1 ed. Editora Crown Publishing Group, 2012. 247p.
  • CHARRON, Tom. Unlock the Power of 3D Scanning with Rapidform Webinar – Nov. 2012. Disponível em:<http://www.youtube.com/watch?v=1t9WLDjKIws. >
  • SCHMITZ, Barb. Reverse Engineering: Looking at Designs from the Inside Out. Cadlyst, Mar. 2013. Disponível em: <http://www.creo.ptc.com/2013/03/04/reverse-engineering-looking-at-designs-from-the-inside-out/?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=feed%3A+ptccreo+%28ptcPTC+Creo%29>. Acesso em: 03. 2013.
  • COMET L3D User Manual Rev. 1.03, SteibichlerOptotecchnikGmbH – Neubeuern, Alemanha 2011 – 37 p.
  • COMET Plus Manual técnico Versão 9.62 (x64), SteibichlerOptotecchnikGmbH – Neubeuern, Alemanha 2011 – 162 p.
  • BURCKHARDT COMPRESSION BRASIL LTDA. Serviço de Suporte ao Cliente. Projetos de REVAMP. São Bernardo do Campo, SP. 2013.
  • ESX – Engenharia Ltda. Digitalização e modelagem 3D aplicadas a equipamentos industriais. São Paulo, SP. 2013

9. Autor

Vinicius De Mattos: Pós Graduado em Desenvolvimento de Produtos pela USP/PECE, Engenheiro Mecânico Pleno pela FEI. Vice-presidente da Câmara Setorial de Ar comprimido e Gases e Membro do Conselho de óleo e Gás da ABIMAQ, Diretor Presidente da BurckhardtCompression Brasil.

 

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