Dilatação Térmica Material didático informativo sobre Metrologia 3D Formação Avançada em Metrologia 3D www.forma3d.com.br Material didático informativo sobre Metrologia 3D Dilatação Térmica

Apresentação A metrologia dimensional lida com um desafio permanente de quantificar as dimensões da peças sob a influência da temperatura da peça, do ambiente e do sistema de medição. A confiabilidade com que os resultados são obtidos depende em muito das condições de temperatura em que a medição ocorre. Em certas condições a temperatura pode causar erros de medição consideráveis e comprometer totalmente as análises de conformidade em produtos e processos. Este material informativo faz uma rápida abordagem deste desafio e de sua importância para a obtenção de resultados confiáveis. Os temas aqui apresentados são objetos de estudo dos cursos do Programa FORMA3D.

Dilatação dos Materiais: Uma lei da natureza Uma característica comum aos materiais em geral é a sua instabilidade dimensional em função da temperatura. Materiais sólidos variam seu volume de modo praticamente proporcional à temperatura e não alteram sua forma se a temperatura é homogênea ao longo de todo o seu corpo. 30º C 25º C 25º C 20º C 20º C

Necessidade de Referência Existe, assim, a necessidade de estabelecer uma temperatura de referência na qual as dimensões possam ser especificadas no projeto e controladas na medição. As dimensões precisam estar “amarradas” a uma temperatura única, normalizada e aceita internacionalmente. Caso contrário temos um jogo sem regras... Vamos esquentar a peça para deixá-la dentro das medidas de desenho...

Temperatura de Referência Esta temperatura está definida na norma ISO-1, que estabelece: A temperatura de referência padronizada para a especificação e verificação geométrica de produtos está definida em 20º C. Especificação geométrica Verificação geométrica 20º C 20º C www.iso.org “A Regra do Jogo”

Condição necessária para qualidade dimensional Sala de Medidas Produção Especificação Geométrica (GD&T) Condição térmica instável Condição térmica estável (20º C)

Situações de risco metrológico Em diversas condições combinadas de temperatura e materiais de peça e sistema de medição ocorrerão erros de medição. Exemplos: Peça e/ou sistema de medição com temperatura não homogênea Peça com temperatura diferente do sistema de medição 20o C 24o C

Situações de risco metrológico Exemplos: Peça e sistema de medição de diferentes materiais e a uma mesma temperatura, mas fora de 20º Temperatura instável durante a medição 23º C Escalas de vidro T (º C) 23º C Aço Tempo

O erro é crítico? Depende de muitos fatores, dentre os principais a tolerância do produto, suas dimensões e o seu material, bem como o material e a temperatura do sistema de medição. É possível, através de análises simples, estimar a magnitude do erro de medição por causa da temperatura e avaliar a sua criticidade. Exemplo: Para cada 1º C de aumento na temperatura da peça de alumínio medida nas condições abaixo, a tolerância de posição especificada é consumida em cerca de 16% ±0,1 20 600 0,2 A B C Máquina a 20º C com escalas de vidro A 300 B C

Algumas situações são mais desafiadoras Medições em campo empregando sistemas de medição portáteis Medições de peças com tolerâncias estreitas Medição de peças com materiais que dilatam bastante Medição de peças com grandes dimensões Exemplo: Medição de peças de alumínio empregadas na indústria aero-espacial

É possível compensar este erro? Assumindo que a variação volumétrica com a temperatura ocorre sem que haja mudança da forma geométrica da peça, é possível estimar a dilatação linear ocorrida nos elementos geométricos que compõem a peça. Conhecendo o erro é possível compensá-lo. Resultado corrigido 120,447 (20º C) Máquina a 20o C Aço a 24o C Erro = +0,005 mm Diâmetro indicado: 120,452 mm 120,452 (24º C)

A compensação é confiável? Sim, desde que: Os coeficientes de expansão dos materiais sejam conhecidos com boa exatidão Os sensores empregados na medição de temperatura possuam boa exatidão A temperatura seja estável durante a medição A temperatura esteja homogênea nos materiais Os materiais sejam isotrópicos (possuam propriedades físicas idênticas em todas as direções) No entanto... Em situações normais, é sempre mais recomendado garantir a exatidão da medição assegurando que peça e sistema de medição estejam próximos 20º C do que tentar garantir a exatidão da medição com uma compensação matemática sobre o resultado.

Lembre-se da regra do jogo: 20º C É muito importante se ter claro que a temperatura de 20º C é um requisito técnico normalizado (ISO1) e um aspecto importantíssimo para assegurar confiabilidade nos resultados das medições. Em várias salas de medidas de empresas isto não parece estar claro e, por vezes, gestores menos envolvidos com as atividades de medição acreditam que o “frio” da metrologia é ajustado por razões de conforto térmico dos metrologistas.

Há muito mais a saber... Que problema a oscilação térmica causa nas máquinas de medir? Como estimar o erro de medição provocado pela temperatura? Que cuidados se deve ter na arquitetura de uma sala de medidas? Qual o tempo de climatização necessário para as peças? Como avaliar a eficiência do sistema de climatização? Como acelerar a estabilização térmica de peças? Qual a máxima temperatura em que é possível medir? Quais os fatores perturbadores em um ambiente de medição? Como funciona a compensação automática em certas máquinas de medir? ...

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