Ferramenta adaptativa de soldadura por fricção linear em termoplásticos para plataforma robótica

Abstract

Nesta dissertação pretende-se desenvolver uma nova ferramenta de soldadura por fricção linear para soldar termoplásticos. Pretende-se que esta seja adaptável a geometrias curvas e que possa ser utilizada como ferramenta num robô industrial. O processo de desenvolvimento desta ferramenta inclui as seguintes etapas: definição do conceito, projeto e produção dos protótipos. Inicialmente foi efetuado um estudo sobre as ferramentas utilizadas atualmente no processo de soldadura por fricção linear de polímeros. Assim, detetou-se que embora existam alguns modelos de ferramentas estudados em laboratório que sirvam o propósito, nenhuma está apta a soldar superfícies curvas, sendo esta a grande limitação na industrialização deste processo. Porém existe uma ferramenta que apresentou bons resultados na soldadura de placas planas - a Hot Shoe - tendo sido, a base do seu funcionamento e o conceito desta ferramenta, o ponto de partida para a criação da nova ferramenta que se adapta às superfícies curvas. Após a idealização do novo conceito, seguiram-se as etapas de conceção: o projeto da ferramenta e o desenvolvimento dos protótipos, este último auxiliado pela tecnologia de prototipagem rápida. Foi elaborado um estudo a fim de selecionar a geometria para a base da ferramenta e é apresentado o desenho detalhado das ferramentas: num primeiro design apresentando apenas uma articulação na base e noutro apresentando duas articulações na base. Neste estudo pode-se ainda visualizar as suas características específicas e componentes. É também desenvolvido o conceito para que o pino da ferramenta se ajuste às diferentes espessuras da superfície a soldar. A última etapa desta dissertação foi a conceção dos protótipos e a conseguinte análise e observação do seu funcionamento em superfícies curvas.

In this dissertation, it was intended to develop a new friction stir welding tool, for thermoplastics. It was intended that it be adaptable to curves and that can be used as a tool of an industrial robot. The process of developing this tool comprises the several steps: concept definition, design and prototype production. Initially, a study was performed on the tools currently used in the process of polymer welding. Thus, it was detected that although there are some models that serve the purpose, among those which were studied in the laboratory, none is able to weld curved surfaces, which is the major limitation of the industrialization of this process. However there is a tool that showed good results in welding flat plates - the "Hot Shoe" – therefore, its basis of operation and concept were the starting point for the creation of a new tool applicable to curved surfaces. The idealization of the new concept was followed by the steps of design and the development of prototypes by 3D printing technology. It was conducted a study to select the base geometry of the tool and it is shown the detailed design of the tool: a first design having only one joint at the base and another featuring two joints. In this study, one can also conceive its specific characteristics, components and operation. It is finally developed the concept for which the tool pin can fit the different thicknesses of the surface to be welded. The last step of this work was the design of prototypes and the subsequent analysis and observation of its operation on curved surfaces.