Relatório de pesquisa PI1: Seleção de materiais para o chassi

1 INTRODUÇÃO

O presente relatório tem como objetivo apresentar a análise, o comparativo e a seleção final do material estrutural adequado para a fabricação do chassi de um microrrobô móvel autônomo (micromouse). O chassi atua como a espinha dorsal do projeto, desempenhando o papel crítico de integrar de forma segura e rígida todos os subsistemas essenciais, incluindo a protoboard de testes, o microcontrolador ESP32, os micromotores N20 e a bateria LiPo de 7.4V, como já comentado nos últimos relatórios de pesquisa. O ambiente de operação do robô — um labirinto com células padronizadas de 18 cm — impõe restrições físicas e dinâmicas ao projeto estrutural. Para garantir manobras ágeis e prevenir o engastamento das laterais durante a navegação, é mandatório que a largura total do micromouse seja mantida estritamente inferior a 12 cm. Além disso, para suportar o arranjo dos componentes sem exceder os limites espaciais, o design estrutural adotará uma configuração geométrica em formato de "D" (oblongo) dividida em um arranjo de duplo deck (dois andares). Isso tudo demandam um material que ofereça uma excelente relação entre leveza e rigidez estrutural, visando manter a estimativa de massa total do projeto na faixa de 300g a 400g. Neste contexto, este documento avaliará as principais opções de manufatura e materiais aplicáveis à robótica móvel de pequeno porte — especificamente o Acrílico, o MDF, o Alumínio e os polímeros para Manufatura Aditiva (Impressão 3D, como PLA e PETG). A seleção levará em conta propriedades mecânicas como densidade e rigidez, bem como a facilidade de usinagem ou prototipagem para viabilizar as especificidades geométricas do projeto, como a perfuração sob medida e o desnível pré-calculado para o alinhamento perfeito do vão livre entre as rodas.

2 ANÁLISE COMPARATIVA E SELEÇÃO DO MATERIAL

A escolha do material do chassi afeta diretamente a inércia do robô, a estabilidade do Centro de Gravidade (CG) e a complexidade de montagem. Para a estrutura do micromouse, cujo peso total estimado deve ficar restrito entre 300g e 400g, avaliar a relação entre a densidade e a rigidez do material é fundamental. Com base nas opções de manufatura aplicáveis à robótica móvel, a Tabela 1 apresenta o comparativo das principais propriedades e métodos de fabricação dos candidatos avaliados:

2.1 Detalhamento Técnico e Viabilidade

Abaixo, detalham-se os pontos fortes e as limitações de cada material frente às necessidades geométricas e dinâmicas específicas do micromouse em questão: - MDF (3mm): 1. Vantagens: Apresenta baixa densidade, sendo um material extremamente leve e de baixo custo, facilmente processado por máquinas de corte a laser 2. Desvantagens: Sua rigidez é apenas média, o que pode gerar flexões no chassi quando submetido a vibrações dos motores. Além disso, por ser uma fabricação restrita ao plano 2D (chapas planas), a solução do desnível estrutural de 2 mm entre a Roda Boba e as rodas de tração exigiria a adoção de calços ou espaçadores adicionais, dificultando a montagem e o alinhamento.

• Acrílico (3mm):

  1. Vantagens: Possui alta rigidez e densidade média, conferindo um excelente acabamento superficial e precisão no corte a laser. É uma opção recomendada para garantir a firmeza da estrutura.
  2. Desvantagens: Embora estruturalmente superior ao MDF, o acrílico é um material quebradiço e suscetível a trincas sob impacto. Similar ao MDF, sua natureza em chapa plana não permite a criação de rebaixos nativos em diferentes alturas, tornando a correção do vão livre e do CG menos eficiente.

• Alumínio 6061:

  1. Vantagens: Garante rigidez altíssima e durabilidade excepcional. É o material utilizado em plataformas móveis comerciais robustas, como a base AIRAT2.
  2. Desvantagens: Sua alta densidade poderia facilmente extrapolar a meta de peso total (300g a 400g). Adicionalmente, a manufatura exige usinagem CNC de alto custo, tornando o projeto menos acessível para prototipagem rápida.

• Polímeros de Impressão 3D (PLA / PETG):

  1. Vantagens: Este processo une alta rigidez estrutural a uma densidade variável. No software de fatiamento 3D, é possível alterar a porcentagem de preenchimento (infill) interno das peças, aliviando o peso de acordo com a necessidade. O maior benefício, no entanto, é a liberdade volumétrica: a impressão 3D permite projetar o chassi com os berços de fixação dos motores N20 e da Roda Boba já com o desnível exato de 2 mm pré-calculado. Isso elimina a necessidade de peças de adaptação e facilita o alinhamento minucioso dos furos de todos os sensores e placas de forma nativa.

2.2 Conclusão da Seleção

Diante do comparativo, a Impressão 3D (utilizando filamentos como PLA ou PETG) destaca-se como o método ideal para a fabricação do chassi do micromouse. A escolha justifica-se pela possibilidade exclusiva de usufruir de densidade variável, otimizando o peso total do projeto, aliada à capacidade técnica de moldar o chassi com a espessura tridimensional necessária. Esta característica resolve diretamente o desafio mecânico do nivelamento entre as rodas, além de permitir o desenho em "D" com furações complexas para suportar o arranjo de duplo deck sem exceder o limite crítico de 12 cm de largura.

3 JUSTIFICATIVA DO DESIGN GEOMÉTRICO

3.1. Tipo de Filamento e Gerenciamento de Massa

Para a fabricação do chassi via impressão 3D, os filamentos mais indicados são o PLA ou o PETG. A justificativa para a escolha desses polímeros baseia-se na sua característica de entregar uma rigidez estrutural alta, o que é essencial para criar uma espinha dorsal firme que suporte as vibrações dos motores e integre as placas sem flexões. Sobre a quantidade de gramas do filamento (a massa do chassi, representada por mchassi), os cálculos preliminares do projeto estipulam que a massa total do micromouse (Mtotal) deve ser limitada à margem de 300g a 400g. Como a massa total é a soma de todos os componentes (Mtotal=mchassi+mmotores+mbateria+meletronica+mrodas), o peso exato da impressão será determinado para equilibrar essa equação. A grande vantagem do PLA e do PETG neste cenário é a densidade variável: alterando a porcentagem de preenchimento interno (infill) no fatiador 3D, você pode aliviar o peso da peça. Isso garante que o chassi consuma apenas a fração de massa estritamente necessária para a amarração mecânica, reservando a maior parte dos 400g de limite para os componentes densos, como os motores N20 e a bateria LiPo.

3.2 Geometria em Formato de "D" (Oblongo)

O ambiente do labirinto exige que formatos com quinas vivas sejam evitados para prevenir o risco de engastamento do robô durante colisões laterais. A escolha do formato em "D" (ou oblongo) atende a dois requisitos simultâneos: A frente plana facilita a fixação e o alinhamento adequado dos sensores infravermelhos que precisam varrer as paredes. A traseira arredondada otimiza o raio de giro, permitindo que o robô faça manobras evasivas e rotacione sobre o próprio eixo nas curvas sem prender o chassi nas paredes de 18 cm.

4 NTEGRAÇÃO CINEMÁTICA

A seleção de materiais e a definição da arquitetura do chassi são pilares que determinam o sucesso navegacional de um micromouse. A conclusão desta análise estabelece que a adoção da Manufatura Aditiva (Impressão 3D com PLA ou PETG) é a escolha tecnicamente superior frente a materiais laminados (como Acrílico ou MDF) e usinados (como Alumínio). Essa superioridade se dá pela liberdade de preenchimento variável (infill), que permite controlar a fração exata de massa do chassi (mchassi) para manter o robô dentro da meta ideal de 300g a 400g, e pela capacidade de modelagem tridimensional nativa de berços e encaixes.

4.1. Resolução Cinemática e Nivelamento

A integração entre o chassi impresso em 3D e o sistema de rodagem é o que garante a estabilidade cinemática do robô. A navegação precisa requer que a base do chassi esteja rigorosamente paralela ao piso. O projeto utilizará as rodas StickyMAX S20 macias, que possuem diâmetro externo de 32 mm. Isso posiciona o centro do eixo dos motores N20 a exatos 16 mm do solo. Como a roda de apoio (Roda Boba Esfera) possui uma altura de 14 mm, cria-se um desnível natural de 2 mm. A grande vantagem conclusiva do uso do PLA/PETG em impressoras 3D é que a compensação desse desnível de 2 mm não exigirá calços de adaptação. O chassi será modelado com os berços dos motores N20 rebaixados de forma precisa, permitindo que a face inferior do micromouse deslize perfeitamente nivelada a um vão livre de 14 mm, maximizando a área de contato das rodas StickyMAX e garantindo tração integral e aderência máxima.

4.2. Síntese do Layout Geométrico e Restrições Físicas

Para que o micromouse consiga realizar curvas de alta velocidade dentro das células de 18 cm do labirinto padrão, o design em formato de "D" (ou oblongo) se mostra a geometria mais eficiente. A seção traseira arredondada oferece o melhor raio de giro, impedindo que o robô engaste nas paredes ao rotacionar sobre o próprio eixo. Simultaneamente, a seção frontal plana acomoda sem angulações indesejadas os sensores infravermelhos Sharp20, mantendo a largura do chassi em um limite estrito inferior a 12 cm. Por fim, a adoção da arquitetura de duplo deck (dois andares) consolida a organização de componentes. A limitação de espaço exigida pela protoboard e demais módulos no plano horizontal é resolvida empilhando a eletrônica de processamento no deck superior. O deck inferior, rebaixado a 14 mm do solo, atua como âncora gravitacional, abrigando a bateria LiPo de 7.4V (2000mAh) posicionada entre os motores N20 traseiros. Essa configuração rebaixa o Centro de Gravidade (CG) drasticamente e concentra a massa máxima exatamente sobre o eixo imaginário das rodas StickyMAX. O resultado cinemático é a conversão direta de peso em força de atrito (tração) sobre o silicone, conferindo extrema estabilidade direcional ao chassi em formato de "D" e imunidade contra capotamentos ou derrapagens durante manobras evasivas nas células de 18 cm.

5 CONCLUSÃO

Considerando que o projeto contará com apenas uma versão impressa do chassi e que o micromouse não estará sujeito a impactos significativos durante sua operação, conclui-se que o PLA é o material mais adequado para a fabricação da estrutura. Esse material apresenta boa rigidez, baixo custo, facilidade de impressão e precisão dimensional satisfatória, características importantes para garantir o correto posicionamento dos motores, sensores e demais componentes. Além disso, por possuir menor dificuldade de fabricação em comparação ao PETG, o PLA reduz riscos de falhas de impressão e contribui para a obtenção de uma estrutura leve e funcional dentro das limitações do projeto.

Tabela: comparação PLA e PETG

Material	Preço médio	Facilidade de impressão	Resistência
PLA	R$ 90 – R$ 150	Alta (fácil)	Média
PETG	R$ 120 – R$ 200	Média	Alta