Desenvolvimento do produto na universidade empreendedora 2005

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1 XXV Encontro Nac. de Eng. de Produção Porto Alegre, RS, Brasil, 9 out a 0 de nov de 005 Desenvolvimento do produto na universidade empreendedora 005 Marcelo Menezes (UAM) marcelomenezes@anhembi.br Resumo Este trabalho mostra a importância das técnicas de desenvolvimento do projeto do produto na Universidade Empreendedora. Utiliza-se a ferramenta estatística planejamento de experimentos para determinar os parâmetros do projeto de um cimento Portland de altoforno. Conclui-se que este tipo de iniciativa impulsiona a indústria a conquistar novos mercados e ajuda a aumentar as exportações. Palavras-chave: Empreendedora; Planejamento de Experimentos; Projeto.. Introdução A engenharia de produção adquiriu, nos últimos anos, um importante papel no desenvolvimento da sociedade. O papel da Universidade se tornou preponderante nesse aspecto pois, o ensino de novas técnicas no desenvolvimento de projetos e processos contribui sobremaneira neste desenvolvimento. Com isso, a pesquisa passou a ser uma grande aliada a este processo. Neste sentido, o espírito empreendedor da Universidade torna-se importante pois, é através dele, que a pesquisa e desenvolvimento de novos produtos ganha corpo e avança na direção de ampliar as fronteiras da tecnologia. De posse destas considerações, o desenvolvimento do projeto do produto ganha uma grande expressão científica, sem o qual, não há um desenvolvimento de melhoria das condições de vida da sociedade. Uma importante ferramenta no desenvolvimento de novos projetos, são as técnicas de planejamento de experimentos. Elas são muito úteis na elaboração de um projeto de um produto e de seu primeiro protótipo. Neste trabalho é feita uma aplicação no desenvolvimento de um projeto de cimento Portland de alto-forno. A construção civil pode ter ganhos significativos com este tipo de procedimento, pois ela procura desenvolver novos materiais para construir de forma mais econômica e durável. Na formulação de um cimento Portland é necessário encontrar valores para a mistura de clínquer e aditivos, bem como, sua finura. A finalidade é encontrar seu melhor desempenho em termos de resistência mecânica, principalmente, e outras propriedades. Menezes (994) propôs uma forma sistematizada de encontrar este valores através das técnicas de planejamentos de experimentos, que permitem encontrar os valores deste parâmetros de forma definitiva sem precisar alterá-los durante o processo de produção.. Planejamento de Experimentos Planejamento de experimentos pode ser definido como como: O planejamento de experimentos é uma técnica de análise de um fenômeno (ou processo), submetendo-o a diferentes situações físicas, visando a obtenção de resultados, cuja análise estatística levará a inferências sobre os efeitos provocados pelas referidas situações. (Menezes, 994) ENEGEP 005 ABEPRO 790

2 XXV Encontro Nac. de Eng. de Produção Porto Alegre, RS, Brasil, 9 out a 0 de nov de 005 O planejamento fatorial é um tipo de planejamento de experimentos que envolve o estudo de fatores (MONTGOMERY,976). 3. Montagem do Experimento O cimento portland de alto forno envolve a mistura de clínquer, gesso e escória de alto forno e deve-se definir em que finura esta mistura deve ser moída. Na época em que o estudo foi feito, a norma estava mudando para a permissão da adição de calcário cru, entretanto, este tipo de adição não foi considerado pois, além de ser novidade, constituiria-se em uma variável a mais a ser considerada, dificultando tecnicamente o estudo. Para a construção do experimento, o estudo parte das seguintes perguntas: Qual a quantidade de escória de alto forno deve ser adicionada? Qual a quantidade de gesso que deve ser adicionada? Em que finura a mistura deve ser moída? Estas perguntas devem ser respondidas levando-se em conta as seguintes necessidades: O valor nominal da resistência mecânica deve estar em um patamar especificado; A variabilidade da resistência mecânica deve ser a menor possível; e O tempo de início de pega deve permanecer em um intervalo de variação aceitável. Este estudo deve levar em conta também que não se deve permitir anomalias em produtos derivados do cimento como, por exemplo, efeitos indesejáveis no concreto. 3. Preparação do material O clínquer foi coletado em um determinado lote da produção de uma fábrica. Foi britado e homogeneizado. A escória foi coletada a céu aberto e seca na estufa. O clínquer e a escória foram moídos em um moinho piloto, de bolas, no laboratório. Depois de moídos, foram eliminadas, através de um ímã em forma de ferradura, as limalhas de ferro desprendidas no atrito entre as bolas e as paredes do moinho. O gesso foi britado, moído no moinho de pedra (HERZOG) e peneirado na peneira # 00.O quadro mostra as quantidades de clínquer, escória e gesso que foram misturadas e em que finura foram moídas. Teor de gesso % 7% Teor de finura finura escoria Clinquer 960g Clinquer 960g Clinquer 050g Clinquer 850g 40% escória 040g escória 040g escória 50 escória 50g gesso 70g gesso 70g gesso 45g gesso 45g 60% Clinquer 040g escória 960g gesso 70g Clinquer 040g escória 960g gesso 70g Clinquer 50g escória 850 gesso 45g Clinquer 50g escória 550g gesso 45g Quadro - Quantidades de materiais misturados ENEGEP 005 ABEPRO 79

3 XXV Encontro Nac. de Eng. de Produção Porto Alegre, RS, Brasil, 9 out a 0 de nov de Objetivos do Experimento O experimento que foi realizado é um experimento fatorial 3, isto é, 3 fatores com níveis cada fator. O experimento foi planejado com fatores e níveis conforme mostra o quadro. Teor de escória de alto-forno Nível 40% nível 60% Teor de gesso Nível % nível 7% Finura medida pela superfície específica Blaine Nível 450(m /kg) nível - 600(m /kg) Quadro - Fatores e níveis A resposta do experimento é a resistência à compressão(mpa) aos 8 dias. Os objetivos do experimento são: verificar se existe efeito devido à variação do teor de escória; verificar se existe efeito devido à variação da finura (pela área específica Blaine); verificar se existe efeito devido à variação do teor de gesso; verificar se existe interação entre %escória finura; verificar se existe interação entre %escória - %gesso; verificar se existe interação entre finura - %gesso; e determinar a combinação ótima dos três fatores, isto é, estabelecer os níveis do teor de escória, finura e teor de gesso. 4. Resultados do Experimento Teor de gesso % 7% Teor de finura(m /kg) finura(m /kg) escoria % média 48,8 49,0 5,0 49, 49,48 5,0 5,6 5,5 5,0 5,8 44,3 44,5 45,8 44,8 44,85 49, 48, 48,0 49,3 48,65 60% média 39,0 39,0 39,6 39,9 39,38 48,8 48,5 48,0 48,5 48,45 40, 40,5 40, 40,0 40,3 5,0 5,5 5,0 54,0 5,38 Tabela - Resistência à compressão aos 8 dias ENEGEP 005 ABEPRO 79

4 XXV Encontro Nac. de Eng. de Produção Porto Alegre, RS, Brasil, 9 out a 0 de nov de Análise Estatística Lochner e Matar (990) utilizam um tipo de tabela chamada "tabela resposta", para facilitar a nálise do experimento. Esta tabela é mostrada na tabela Fator A Fator B Fator C Interação AB Interação AC Interação BC Nível Nível Nível Nível Nível Nível Nível Nível Nível Nível Nível Nível efeitos Tabela - Tabela resposta Na tabela resposta podemos observar, em sua última linha, os efeitos dos fatores e das interações. A figura mostra os gráficos dos efeitos. As linhas verticais indicam o "tamanho" do efeito e os números que aparecem no topo e abaixo das linhas indicam o nível do fator. GRÁFICO DOS EFEITOS C 50 A AB AC B BC ABC MÉDIA = Figura. Gráfico dos efeitos Figura - Gráfico dos efeitos O nível de uma interação a dois fatores significa que os dois fatores que interagem estão em níveis diferentes e o nível significa que os fatores estão no mesmo nível. Observando apenas o "tamanho" dos efeitos, pode-se compará-los; porém, não se pode afirmar, com muita certeza, se um determinado efeito é significativo estatisticamente. A técnica que permite fazer tal afirmação é a análise de variância. Como foi feito somente um ensaio para cada combinação, esta técnica não pode ser utilizada pois seria necessário pelo menos duas observações por amostra. No entanto, algumas técnicas gráficas e o bom senso na análise, podem ajudar a contornar esta dificuldade. Montgomery (985) apresenta técnicas de análise do experimento por análise de variância para experimentos não replicados, isto é, com apenas uma observação; porém, recomenda-se que elas sejam aplicadas à experimentos que tenham no mínimo quatro fatores. Existem técnicas gráficas, que juntamente com o gráfico dos efeitos, ajudam a entender o comportamento dos fatores e das interações. Entre estas técnicas temos os gráficos das interações. O gráfico das interações é mostrado na figura. ENEGEP 005 ABEPRO 793

5 XXV Encontro Nac. de Eng. de Produção Porto Alegre, RS, Brasil, 9 out a 0 de nov de 005 GRÁFICO DAS INTERAÇÕES A: teor de escória B: teor de gesso 5 C: finura GR ÁFIC O D A IN TER A Ç Ã O A B 50 EIXO VERTICAL: resistência A B B= B= 43 GRÁFICO DA INTERAÇÃO A C A = A = 5 50 A C A = A = C = C = G RÁFICO DA INTERAÇÃO BC B C C= C= B = B = Figura - Gráfico das interações Para simplificação do texto, quando se quiser dizer " fator A está no nível ", será escrito "A=", e assim será escrito para todos os fatores e níveis. Para entender como estes gráficos são construídos, será dado um exemplo: na interação AB o valor; 50,38 ; é a média das duas respostas quando A=, B=, C= e A=, B= e C=. Na tabela vemos que estes valores são 49,48 e 5,8. Todos os outros valores plotados no gráfico são calculados da mesma forma. Nestes gráficos, quando os segmentos das retas são paralelos (ou aproximadamente paralelos), pode-se dizer que não existe interação (ou a interação é pequena e pode ser desconsiderada). Quando os segmentos são oblíquos, pode-se dizer que existe uma interação entre os dois fatores. Neste caso, diversas são as posições relativas dos segmentos e a análise proceder-se-á de acordo com estas posições. Deve-se ressalvar, no entanto, que o segmento é apenas uma representação, não significando que a variação da resistência seja linear em relação ao fator. Eventualmente, esta variação pode ser descrita por uma curva qualquer. Experimentos com três níveis dão uma idéia melhor desta variação. Observando o gráfico dos efeitos (figura ), pode-se observar o seguinte: fator A (teor de escória): tem efeito razoável sobre a resistência; porém, menor do que o fator C. Seu efeito é negativo, isto é, aumentando-se o teor de escória a resistência diminui. fator B (teor de gesso): tem efeito pequeno, podendo ser desconsiderado, mesmo assim, pode-se observar que seu efeito é negativo, isto é, aumentando-se o teor de gesso a resistência tende a diminuir. fator C (finura): entre todos os fatores, este é o que apresenta o maior efeito, sendo este efeito positivo. Isto significa que aumentando-se a finura, a resistência também aumenta, confirmando as expectativas técnicas (cimento mais fino, maior resistência). interação AB: tem efeito positivo sobre a resistência. interação AC: tem efeito positivo sobre a resistência e maior que o efeito AB. ENEGEP 005 ABEPRO 794

6 XXV Encontro Nac. de Eng. de Produção Porto Alegre, RS, Brasil, 9 out a 0 de nov de 005 interação BC: tem efeito pequeno e será desconsiderada. Segue abaixo a análise do gráfico das interações (figura ). Gráfico da interação AB: Este gráfico trata da interação entre os fatores A, teor de escória, e B, teor de gesso. O segmento B= corresponde às amostras que possuem % de gesso. No cruzamento de B= com A=, teor de escória de 40%, a resistência é 50,38 MPa e no cruzamento com A=, teor de escória de 60% a resistência é 46,75. Observe que há uma queda na resistência quando se aumenta o teor de escória de 40% para 60%. Em seguida analisa-se o segmento B= que são amostras com 7% de gesso. No cruzamento com A=, 40% de escória, a resistência é 46,75 MPa e com A= a resistência é 46,3 MPa. Veja que houve uma queda muito pequena na resistência quando passamos de 40% para 60% do teor de escória. Isto nos faz concluir que com um teor de gesso de 7% podemos aumentar a quantidade de escória de 40% para 60%, sem que haja uma variação na resistência. Esta informação é uma grande vantagem em termos operacionais. Digamos que uma fábrica opera com 40% de escória e deseja aumentar este valor com o intuito de fabricar um cimento mais econômico. Ela poderá aumentá-lo para 60% desde que adicione também, 7% de gesso. Isto é um efeito de interação. Já no valor de % de gesso este aumento de escória não poderia ser feito sem um prejuízo da resistência. Gráfico da interação AC: neste gráfico são estudados os fatores A, teor de escória, e C, finura. O teor de gesso não é levado em conta. O segmento A= corresponde a 40% de escória e A= a 60%. O ponto C= corresponde à finura 450m /kg e C= a 600m /kg. O segmento A= cresce abruptamente quando passamos de C= para C=, isto é, aumenta a finura. O segmento A= cresce bem menos. Isto significa que aumentando o teor de escória deve-se também aumentar a finura pois, senão, a resistência diminuirá. Veja que em C= com A= a resistência é 47,7 MPa e C= com A= é 39,8. Já na finura C= (600m /kg) se o teor de escória for 40% ou 60% não importa muito pois a resistência é quase a mesma. Do ponto de vista operacional, um cimento fino não precisa ter uma adição de escória constante, sua variação não causará muitos transtornos. Se por motivos operacionais ou econômicos for necessário um cimento grosso, aconselha-se um teor baixo de escória. Gráfico da interação BC: este gráfico analisa a interação entre o teor de gesso e a finura, sem levar em conta o teor de escória. Podemos observar que quando C= não há muita diferença entre B= ou B=. Isto significa que quando a finura é alta, o teor de gesso causa pouca variação na resistência. Um fato interessante é observado quando C=. Com um teor de gesso baixo, há indícios de que o cimento mais grosso tem resistência mais alta, contrariando a idéia de que um cimento mais fino tem resistência mais alta. Da análise feita acima, podemos concluir que uma boa combinação de fatores, seria B= e C=, ficando o fator A livre, podendo variar entre 40 e 60%. Isto possibilita fixar o teor de escória em função de outras necessidades. Pode parecer contraditório pois, como foi dito anteriormente, o fator escória tem efeito significativo sobre a resistência e, agora, ela pode variar sem ter este efeito. O que ocorre é que na primeira afirmação estava sendo levado em conta os dois níveis de finura. A variação de escória não tem efeito somente considerando o nível mais alto de finura, isto é, 600 m /kg. Como foi dito na introdução, as técnicas de planejamento de experimentos são muito interessantes e possibilitam análises sob vários aspectos, podendo-se abstrair informações das mais variadas formas. ENEGEP 005 ABEPRO 795

7 XXV Encontro Nac. de Eng. de Produção Porto Alegre, RS, Brasil, 9 out a 0 de nov de Recomendações para produção Não se pode, por enquanto, fazer recomendações exatas e precisas para a produção deste cimento. Como já foi dito, este experimento é apenas o início de um projeto que deverá chegar, através de outros experimentos, em um protótipo. Portanto, só na fase final é que se poderá fazer recomendações mais concretas. Neste momento podemos apenas ter uma idéia para onde as pesquisas devem caminhar e fazer considerações sobre algumas variantes destes caminhos. Pelo que foi analisado na seção anterior, ficou claro que existem evidências de que seria uma opção segura, do ponto de vista do controle do processo, manter a finura medida pela área específica Blaine em 600 m /kg, o teor de gesso em 7% e o teor de escória variando entre 40 e 60%. 5.Considerações Gerais Efeitos colaterais na utilização de um produto, são efeitos indesejáveis causados por problemas da sua própria qualidade (TAGUCHI, 986). A finura de 600m /kg saiu, acidentalmente, excessivamente alta por falta de experiência no processo de preparação de amostras. Em experimentos futuros já se poderá contornar melhor esta dificuldade. A finura alta pode causar danos no concreto. Sendo assim, experimentos adicionais devem ser realizados para determinar qual o limite máximo da finura do cimento que o concreto pode suportar, já que a finura alta mostra-se interessante. Assim como este problema, outros efeitos colaterais devem ser estudados, para que soluções adequadas sejam desenvolvidas. Além da resistência à compressão aos 8 dias, outras características de desempenho, podem ter seu controle considerado necessário. Estas outras características, mesmo que sejam secundárias, podem também influir na combinação dos parâmetros do produto. O consumidor do cimento pode, por exemplo, querer especificar o tempo de início de pega. Sabe-se que o tempo de início de pega é afetado pelo teor de gesso adicionado ao clinquer e da finura. Menezes (994) fez também ensaios de pega e mostrou que o teor de escória pode ser fixado em função do início de pega. Os fatores econômicos também podem influir na combinação dos fatores e níveis. Considerando a conclusão inicial onde a finura é de 600 m /kg, o teor máximo de gesso 7% e o teor de escória (A) livre na faixa de 40 a 60%, pode-se fixar o teor de escória em 60% (A=), pois nesta composição utilizar-se-ia somente 8% de clínquer. Outra consideração é que se esta finura alta for muito onerosa, pode-se escolher a finura de 450 m /kg (C=). Observando-se o gráfico das interações, este nível de finura, C=, combina melhor com B= (interação BC) e com A= (interação AC). Esta combinação oferece resistências mais altas. Observa-se que o gráfico da interação AB também confirma que A= com B= proporciona resistência maior. Portanto, esta combinação seria: finura 450 m /kg, teor de gesso % e teor de escória 40%. Há alguns anos atrás a norma passou a permitir a adição de 5% de calcário cru. Será preciso incluí-lo nos próximos experimentos. Desta forma, será necessário planejar um experimento fatorial com 4 fatores e níveis ( 4 ). Este experimento permitirá verificar se as conclusões tiradas até aqui continuam válidas ou não, com a inclusão desta nova variável. Devido ao moinho de laboratório ser diferente do moinho industrial, possivelmente a distribuição granulométrica das partículas pode ser diferente. Mesmo que a finura medida pela área específica Blaine seja a mesma em cimentos moídos no laboratório e no moinho industrial, se houver esta diferença na distribuição granulométrica, seria necessário estudar se ENEGEP 005 ABEPRO 796

8 XXV Encontro Nac. de Eng. de Produção Porto Alegre, RS, Brasil, 9 out a 0 de nov de 005 este fato pode influir significativamente na resistência. Caso isto ocorra, será necessário adequar os experimentos para contornar esta dificuldade. 6. Conclusões As principais conclusões que se pode tirar do ponto de vista técnico para a elaboração do projeto do cimento Portland de alto-forno são: a) A variável finura medida pela área específica Blaine tem grande efeito na resistência à compressão aos 8 dias e deve ser rigorosamente controlada no processo de produção; b) A variável teor de gesso tem efeito sobre a resistência à compressão aos 8 dias; porém, um efeito menor que a finura. Esta variável deve ser acompanhada com cautela no processo de produção;e c) A combinação ótima dos fatores que minimiza a variabilidade da resistência à compressão aos 8 dias é: finura medida pela área específica Blaine de 600 m /kg, teor de gesso de 7% e teor de escória livre na faixa de 40 a 60%. Conforme considerações feitas anteriormente, outras combinações podem ser viáveis, conforme necessidades do fabricante e do cliente. Estes resultados são preliminares e precisam ser confirmados por outros experimentos. Podemos encontrar, desta forma, as combinações conforme o interesse do fabricante, tanto em termos econômicos como em termos de suas limitações operacionais. Gostaria de ressaltar, mais uma vez, a valiosidade das técnicas de planejamento de experimentos dentro da pesquisa e desenvolvimento de novos produtos. A Universidade empreendedora precisa cada vez mais fomentar este tipo de atividade que pode ajudar muito no desenvolvimento da indústria nacional e ampliar os negócios de exportação. Referências LOCHNER, Robert H., MATAR, Joseph E. Designing for quality : an introduction to the best of Taguchi and Western methods of statistical experimental design. New York : Quality Resources, p. MENEZES, M. Aplicação de Experimentos Planejados no Projeto e Desenvolvimento de Produtos em Sistemas da Qualidade. Um Estudo de Caso: Cimento Portland de Alto-Forno. Rio de Janeiro, p. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Produção) - COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 994. MONTGOMERY, Douglas C. Design and analysis of experiments. New York:Wiley, p..introduction to statistical quality control.new York : Wiley, p. TAGUCHI,Genichi.Introduction to quality engineering: designing quality into products and process. Tokyo: Asian Productivity Organization, p. ENEGEP 005 ABEPRO 797