Os mecânicos flexíveis deixam a sua marca no mundo das máquinas

Compliant mechanics" vai revolucionar a mecânica e abrir uma nova era na engenharia mecânica

Transformar a engenharia mecânica

Um alicate robusto, leve e potente, mas sem parafusos ou rebites... um sonho.
Um interrutor de uma só peça? Vamos ver!
Um painel de 25m2 que cabe num 1m3? Pólvora, talvez? No entanto, todas estas promessas técnicas foram concretizadas.

Na fronteira entre a matemática, a engenharia e o origami, a mecânica flexível está a abrir uma nova era na engenharia mecânica.

Mecânica robusta

A robustez é uma das caraterísticas mais procuradas na engenharia mecânica. Gostamos que uma máquina dure muito tempo e que faça o seu trabalho sem falhar. A origem da maioria das falhas mecânicas são as articulações entre as peças móveis. Estas mesmas juntas são geralmente também as peças mais complexas. Como é que podemos reduzir o seu número? A questão é simples e, para lhe dar resposta, tivemos de pôr em causa um princípio mecânico básico: a rigidez.

Considerada uma qualidade essencial, a rigidez permite evitar as oscilações indesejáveis, a fadiga dos materiais e as vibrações parasitas que conduzem a diversos problemas de desgaste prematuro, de ruído e de rutura. Quanto mais rígida, melhor...

Com o desenvolvimento do nosso conhecimento dos materiais e das estruturas, a engenharia permite agora conceber materiais com diferentes graus de flexibilidade e com uma duração virtualmente infinita, desde que a aplicação se mantenha dentro dos parâmetros de temperatura, pressão ou tensão. Por isso, porque não utilizar materiais flexíveis em vez de juntas? Foi o que fez Larry Howell, um engenheiro mecânico da Universidade Brigham Young.

Um a um, desmantelou crenças enraizadas, demonstrando, por exemplo, que a rigidez e a resistência não são a mesma coisa, que algo pode ser flexível e forte e que a resistência depende do material, da estrutura e da forma como as tensões são aplicadas.

Aproximarmo-nos do ideal!

Ao jogar com espessuras, orientações, formas e materiais, os designers conseguem atingir um nível de simplicidade que se aproxima do da arte, da arquitetura ou mesmo da biologia. É claro que é necessária uma grande perícia, incluindo um conhecimento profundo dos materiais, das suas propriedades e da sua forma, mas o resultado abre perspectivas em quase todos os domínios, desde a agricultura ao espaço e à medicina.

A mecânica flexível (mecânica de conformidade) segue vários ideais, os 8 P's:

Número mínimo de peças: O número de peças é reduzido através da utilização de peças flexíveis em vez de molas, dobradiças, articulações, rolamentos, etc.
Simplicidade de produção: A utilização de novos materiais simplifica radicalmente a produção, a montagem e o manuseamento.
Preço: Ao limitar as peças e a montagem, é evidente que o preço desce. Especialmente quando se pode extrudir ou imprimir em 3D e produzir a um custo marginal.
Precisão: Dependendo do processo de produção, na ausência de juntas, o nível de precisão excede o que é possível com a mecânica convencional.
Desempenho: Sem necessidade de lubrificação, silencioso, mais leve, maior desempenho e durabilidade.
Proporcionalidade: Pode alterar a escala e os materiais de acordo com as suas necessidades e manter os mesmos princípios: a flexibilidade também é relativa ao tamanho, desde o mais pequeno ao maior.
Portabilidade: Mais leve, devido ao número reduzido de peças e à sua simplicidade.
Previsibilidade: os produtos mantêm o seu desempenho ao longo do tempo e são geralmente mais fiáveis.

Para atingir estes objectivos, a simplicidade e a ausência de juntas são dois princípios perseguidos.

O Origami em socorro

O origami permite criar formas 3D a partir de planos 2D, que são depois estendidos em várias direcções para formar uma estrutura contínua e sem juntas. A relação prática com a mecânica flexível é natural. Com software de processamento 3D, de que se encontram alguns exemplos nas referências, o origami pode entrar no mundo da engenharia. Os designers não só se guiaram pela tradição, como levaram o origami a um novo nível, criando estruturas que são simultaneamente úteis e esteticamente agradáveis.

Estamos apenas no início desta disciplina, e as suas aplicações já entraram no nosso quotidiano sem que nos apercebêssemos. É possível que já tenha reparado em alguns mecanismos flexíveis em aparelhos electrónicos recentes. Mas isso é apenas o início! Este conhecimento está a difundir-se rapidamente e começa a ser ensinado nas faculdades de engenharia...

Referências

BYU Compliant Mechanisms Research Group - https://www.compliantmechanisms.byu.edu/

Porque é que as máquinas que dobram são melhores - https://www.youtube.com/watch?v=97t7Xj_iBv0

Handbook of Compliant Mechanisms por Larry L Howell - no Google books
https://books.google.ca/books?hl=en&lr=&id=obD5SnfVUxkC&oi=fnd&pg=PR11&ots=ixfa-FdE-g&sig=ls1L3iiTdzb--A0LptdlPfEwmIw#v=onepage

Handbook of Compliant Mechanisms por Larry L Howell - na Amazon
https://amzn.to/2uS7ZIq

Aplicações de Origami