Processamento do arenito por fresamento CNC, a partir da digitalização 3D, para produção de réplicas de objetos do patrimônio cultural

Abstract

O arenito é um material milenar e está presente em esculturas, monumentos, fachadas de prédios históricos e em muitos outros objetos de importância histórica e cultural. Preservar este patrimônio não é uma tarefa fácil, pois não consiste apenas em proteger de intempéries ou de atos de vandalismo. É preciso muito mais. É necessário deter tecnologia capaz de restaurá-lo e reconstruí-lo. Neste sentido, este trabalho apresenta uma tecnologia capaz de produzir réplicas fidedignas de objetos do patrimônio cultural, em arenito, a partir da digitalização tridimensional e do processamento por usinagem CNC (comando numérico computadorizado). Esta tecnologia, além de permitir produzir réplicas, oferece também a possibilidade de produzir objetos de formas geométricas variadas, a partir da usinagem de arenito. A metodologia utilizada consistiu, primeiramente, a partir de dados da revisão bibliográfica, fazer alguns ensaios preliminares de usinagem para avaliação da viabilidade do método. Posteriormente, adquiriu-se material de fonte conhecida, o qual foi caracterizado por meio de ensaios físicos e mecânicos e utilizou-se uma fresadora CNC na qual se fez ensaios utilizando-se ferramentas de metal duro e de diamante. Utilizando usinagem CNC através das tecnologias CAM (manufatura assistida por computador) e Digitalização Tridimensional bem como os conhecimentos obtidos em ensaios preliminares, produziram-se réplicas das inscrições rupestres da Pedra Grande, da cidade de São Pedro do Sul, que é o maior monumento petroglífico do Estado do Rio Grande do Sul, constituído de arenito. O estudo compreendeu também seleção de ferramentas adequadas à usinagem do arenito (diamantadas), estratégias de usinagem, parâmetros de corte para fresamento CNC e análise de vida das ferramentas utilizadas. Utilizando-se uma câmera com alta velocidade de captura gravaram-se imagens do processo de corte e formação do cavaco. Também foi feita uma análise do erro dimensional da geometria da réplica produzida, comparada com a obra original, utilizando-se softwares para processamento 3D (tridimensional). Os resultados permitiram concluir que a metodologia utilizada proporcionou a produção de réplicas com desvios máximos da ordem de 1,2 mm, comparados com a obra original, mas que com a utilização de fresa de PCD de ponta esférica com diâmetro menor que 6 mm é possível diminuir estes desvios. Considerando-se que os grãos de areia que formam o arenito estudado apresentam valores entre 0,1 e 2 mm, estes desvios são perfeitamente aceitáveis para este caso. Indica-se, caso seja necessário usinar arenito, iniciar utilizando ferramentas de PCD, com velocidade de corte próxima de 600 m/min (15000 rpm para ferramenta com 12 mm de diâmetro), profundidade de corte de 1 a 2 mm, velocidade de avanço 400 a 1000 mm/min, e penetração de trabalho de 50% do diâmetro da ferramenta.

The sandstone is a millennial material and is present in sculptures, monuments, facades of historic buildings and many other objects of historical and cultural importance. Preserving this heritage is not an easy task, for it does not consist merely of protecting from weather or acts of vandalism. It takes much more. It is necessary to detain technology capable of restoring and rebuilding it. In this sense, this work presents a technology capable of producing trustworthy replicas of cultural heritage objects in sandstone, from three-dimensional digitization and CNC (computer numerical command) processing. This technology, besides allowing replica production, also offers the possibility of producing objects of varied geometric forms, from the machining of sandstone. Firstly, the methodology used consisted of doing some preliminary machining tests to evaluate the feasibility of the method, using data from the literature review. Secondly, it was necessary to acquire material of known source, which was characterized by means of physical and mechanical tests and a CNC milling machine was used in which tests were carried out using carbide and diamond tools. Utilizing CNC machining through CAM (Computer Assisted Manufacturing) and Three-Dimensional Digitizing technologies as well as knowledge in preliminary tests, replicas of the rupestrian engravings of Pedra Grande were made. Pedra Grande is considered the largest petroglyphic monument made of sandstone in Rio Grande do Sul. The study also included selection of suitable tools for sandstone (diamond) machining, machining strategies, cutting parameters for CNC milling and life analysis of the tools used. A high-speed camera was used to record the sandstone cutting process, and the images were used to study the cutting process and chip formation. An analysis of the dimensional error of the produced replica geometry was also made and then compared to the original piece, using software for 3D (three-dimensional) processing. The results lead to conclude that the methodology that was used allowed the production of replicas with maximum deviations of the order of 1,2 mm, compared to the original work, but that the use of a spherical tip PCD cutter with diameter of less than 6 mm it is possible to reduce these deviations. Considering that the grains of sand that form the sandstone studied in this work present values between 0,1 and 2 mm, these deviations are perfectly acceptable in this case. If the milling of sandstone is necessary, it is recommended to start using PCD tools, with cutting speed about 600 m/min (15000 rpm for 12 mm diameter tool), cutting depth of 1 to 2 mm, feed rate 400 to 1000 mm/min, and work penetration of 50% of the tool diameter.