MELHORIA DO PROJETO DE UMA CAMINHONETE DE BRINQUEDO COM APLICAÇÃO DAS TÉCNICAS DE ANÁLISE DE VALOR, DFMA E FMEA

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1 MELHORIA DO PROJETO DE UMA CAMINHONETE DE BRINQUEDO COM APLICAÇÃO DAS TÉCNICAS DE ANÁLISE DE VALOR, DFMA E FMEA Carla Cristina Amodio Estorilio (UTFPR) amodio@utfpr.edu.br Dirlene da Costa Leite (UTFPR) dirlene.leite@witzenmann.com Giuliano Cesar Breda de Souza (UTFPR) giuliano.breda@gmail.com Kássio Cabral Pereira dos Santos (UTFPR) kassioctba@hotmail.com Esse artigo apresenta a melhoria do projeto de um carrinho de brinquedo com o objetivo de reduzir o seu custo de fabricação e montagem, agregar mais valor para o consumidor e torná-lo mais confiável em uso. Para isso, faz uso de três métodoos de apoio para projeto de produtos; o DFMA (Design for Manufacturing and Assembly), a Análise de Valor (AV) e, com o novo modelo, é aplicado o FMEA (Failure Mode and Effect Analysis) de projeto. O novo modelo, que incorpora as alterações resultantes da aplicação dos três métodos, é apresentado através de um modelo realizado com a ferramenta CAD Inventor da Autodesk. Entre os resultados obtidos, constatou-se uma redução no numero de componentes de aproximadamente 47%, o que impactou em uma redução de custo aproximado de 38%. Palavras-chaves: Análise de Valor; DFMA; FMEA

2 1. Introdução A necessidade de lançar produtos mais rapidamente ao mercado vem exigindo das organizações um processo de desenvolvimento de produto (PDP) mais otimizado, reduzindo o prazo de lançamento, custos e produtos com qualidade para atender as expectativas e necessidades dos clientes. Pode-se verificar em Rozenfeld et al (2006) e Pahl et al (2005) que, dentre os vários métodos de apoio ao projeto de produtos industriais, o DFMA, a AV e o FMEA de projeto estão entre os mais utilizados e contribuem para obter uma melhoria significativa quanto ao custo e qualidade dos produtos. Aliando estas práticas e o trabalho em equipe, tanto o resultado no lançamento de novos produtos, quanto à melhoria do projeto, tem se mostrado positivo. Esse artigo apresenta a melhoria do projeto de um carrinho de brinquedo com o objetivo de reduzir o seu custo de fabricação e montagem, agregar mais valor para o consumidor e tornálo mais confiável em uso. Para isso, faz uso dos três métodos de apoio citados anteriormente; o DFMA, a Análise de Valor e, com o novo modelo, é aplicado o FMEA de projeto. O novo modelo, que incorpora as alterações resultantes da aplicação dos três métodos, é apresentado através de um modelo realizado com a ferramenta CAD Inventor da Autodesk. 2. A etapa de projeto e os métodos de apoio Conforme os conceitos desses métodos, os três podem ser utilizados na fase de projeto preliminar, pertencente à etapa de projeto sugerida como metodologia por Pahl et al (2005). Essa metodologia recomenda que um projeto seja desenvolvido em quatro fases correspondentes a: a) Planejamento - definição informativa, b) Concepção - definição preliminar, c) Projeto - definição da configuração e, d) Detalhamento - definição da tecnologia de produção. A fase de projeto informacional fornece os requisitos técnicos do produto. A fase de projeto conceitual tem como saída à melhor concepção possível do produto, conforme os desejos do consumidor. A fase de projeto preliminar resulta na versão preliminar do produto, onde, sobre a concepção, são definidos os dimensionamentos, os materiais e vários aspectos físicos do produto, visando obter o melhor produto possível, considerando todos os fatores que forem considerados convenientes. A última fase, a de projeto detalhado, apresenta toda a documentação necessária para que o produto possa ser fabricado e montado. Conforme a definição acima se constata que na fase de projeto preliminar o projeto pode ser melhorado sob vários pontos de vista e, portanto, a utilização de métodos de apoio que ajudem nesse sentido torna esse processo produtivo e eficaz. Em linhas gerais, pode-se dizer sobre os três métodos que serão aqui aplicados que, a Análise de Valor, conforme Baxter (1998), procura aumentar o valor relativo (em relação ao custo) das peças e componentes e do produto como um todo, sem comprometer as suas funções. A aplicação do FMEA visa identificar, ainda na etapa de projeto do produto, as possíveis falhas do produto em uso. O DFMA, segundo Edwards (2002), contribui para que uma análise do projeto seja realizada, mantendo as características funcionais do projeto, obtendo, em paralelo, uma redução nos custos de fabricação, peças e, consequentemente, mais facilidade 2

3 na montagem e, portanto, uma redução nos custos desta atividade. Os próximos itens apresentam uma descrição mais detalhada sobre cada um deles. 2.1 FMEA de projeto O método FMEA, pela sua grande utilidade, passou a ser aplicado de diversas maneiras. Ele atualmente é utilizado para diminuir as falhas de produtos em uso, em processos existentes e para diminuir a probabilidade de falhas em processos administrativos. Tem sido empregado também em aplicações específicas tais como análises de fontes de risco em engenharia de segurança e na indústria de alimentos. Segundo Slack (2002), o método Análise do Tipo e Efeito de Falha, conhecido como FMEA de projeto (Failure Mode and Effect Analysis), busca evitar, por meio da análise das falhas potenciais e propostas de ações de melhoria, que ocorram falhas no projeto do produto. Este é o objetivo básico desta técnica, ou seja, detectar falhas antes que se produza uma peça ou produto. Pode-se dizer que com a sua utilização visa-se reduzir as chances do produto falhar, ou seja, é uma busca organizada do aumento da confiabilidade. Segundo Brocka (1994), para aplicar o FMEA em um determinado produto, forma-se um grupo de trabalho que define as funções ou características do produto e relacionam-se todos os tipos de falhas que possam vir a ocorrer. Posteriormente, o grupo descreve, para cada tipo de falha, as suas possíveis causas e efeitos, relacionando as medidas de detecção e prevenção de falhas que estão sendo ou já foram tomadas. Finalmente, para cada causa de falha se atribui índices para avaliar os riscos e, por meio destes riscos, discute-se as medidas de melhoria. 2.2 DFMA Segundo Boothroyd e Dewhurst (1988), a chave para o sucesso da aplicação de DFM é a simplificação da manufatura do produto. Essa simplificação ocorre através da aplicação de algumas diretrizes que contribuem para que seja realizada uma revisão do projeto em questão, visando, principalmente, reduzir o número de peças, facilitar a fabricação, evitar o uso de elementos de fixação, minimizar direções de montagem, maximizar a compliância das montagens, minimizar o manuseio de peças, simplificar ajustes, entre outras regras a serem revistas no projeto. O DFA (Design for Assembly) objetiva a diminuição da quantidade de peças, simplificando a sua montagem e, por conseqüência, o custo deste procedimento. Dentre as abordagens citadas em Kuo et al (2001) para DFA, estão critérios como a minimização do número de peças e fixações, promoção da manipulação simples, da montagem em operações simultâneas e a possibilidade de evitar erros na montagem. O autor também destaca que os processos de manufatura são baseados em alguns atributos e capacidades de processo como a criação de projeto modular, utilização de componentes padronizados, desenvolvimento de peças multiuso e redução de operações de manufatura. Deve-se ressaltar a real necessidade de um componente, procurando reduzir ao máximo o número de peças do produto final. Para tal, pode-se fazer uso de três regras básicas, conforme Bralla (1986): Existe a necessidade de movimento relativo entre as partes? Existe a necessidade de especificação de diferentes materiais por razões físicas/químicas? O componente deve ser desmontável para facilitar a manutenção? 3

4 Da interação entre DFM e DFA, surge o DFMA (Design for Manufacturing and Assembly). Para aplicar este método, o produto é desmontado e montado novamente, dando ênfase a tempos e custos de manuseio (alimentação e orientação) e junção de componentes. Os tempos e custos podem ser encontrados em tabelas através da utilização de softwares específicos ou por observações empíricas conforme citado em Bralla (1986). Segundo Kuo et al. (2001), o DFMA pode se valer de um aliado eficiente no processo de melhoria do produto: a ferramenta CAD. Assim, pode-se desenvolver um modelo virtual, com a possibilidade de se obter informações de custo para as alternativas do projeto, possibilitando, assim, a sua otimização. Portanto, o DFMA vem como uma solução de duas DFX integradas, o DFM e o DFA, os quais contribuem para facilitar e simplificar o processo de manufatura e montagem do produto, ainda na etapa de projeto. 2.3 Análise de Valor Segundo Corrêa (2006), o propósito básico da Análise de Valor é simplificar produtos e processos, objetivando obter um desempenho equivalente ou melhorado do produto, porém, com custos menores. Pahl et al (2005) afirma que a avaliação deverá calcular o valor e o benefício de uma solução em relação a um objetivo estabelecido. A definição do objetivo é indispensável para que sejam evitadas as avaliações de subaspectos pontuais como custos de produção ou questões de segurança. Portanto, a definição do objetivo proporciona a análise de todos os aspectos do produto, envolvidos na Análise de Valor. A base da aplicação da técnica AV envolve três etapas distintas: o estabelecimento das funções, a avaliação da função por comparação e o desenvolvimento de alternativas para o valor (Rozenfeld, 1999). Nesse artigo são demonstradas a aplicabilidade e o resultado obtido, levando-se em consideração os seguintes valores: funcional - ligado ao desempenho, estético - ligado a vendabilidade e troca, além da soma dos dois anteriores. Para classificar os componentes, são estabelecidas as funções, as quais são avaliadas e comparadas como: básica - que é a finalidade específica para a qual o item foi projetado, secundária - que suportam a ação básica e a não necessária - que deve ser eliminada. Corrêa (2006) propõe uma análise rigorosa de todos os componentes e conjuntos do produto, definindo suas funções essenciais, usando, para tanto, um verbo e um substantivo. Por exemplo, a função essencial de um tanque de combustível é conter combustível. Deve ser salientada a diferença entre AV e técnicas de redução de custos. A AV constitui um esforço para identificar e selecionar o método de menor custo, visando satisfazer as necessidades funcionais adequadas. Uma simples idéia que resulte em um menor custo para atingir um requisito de projeto não significa aplicar AV. Embora a idéia represente melhor o valor, não há uma tentativa para determinar se a idéia representa o melhor valor de uma seleção de alternativas ou se os requisitos de projeto, sendo satisfeitos, representam o real problema (Portal de conhecimentos, 2008). 3. Metodologia Com o objetivo de melhorar o projeto do produto (carrinho de brinquedo), os métodos foram aplicados na seguinte seqüência; primeiramente foi aplicado o método AV. Posteriormente, 4

5 aplicou-se o método DFMA, o qual, como pode ser constatado no seu desenvolvimento, tem parte de suas diretrizes semelhantes às da AV e, portanto, as resultantes de suas análises se sobrepõem parcialmente. Com os resultados obtidos através do estudo com os dois métodos obteve-se um modelo intermediário, o qual foi submetido ao FMEA de projeto com o intuito de tornar esse modelo mais confiável para o consumidor e, portanto, com maior qualidade. Com as resultantes deste método, foi gerado o novo modelo que, supõe-se ser melhor do que o modelo original do ponto de vista de custo e qualidade. 3.1 Descrição do produto Para a aplicação das técnicas foi utilizado o brinquedo chamado de Modelix, que possibilita que a criança possa montar e desmontar uma caminhonete com o auxílio de ferramentas. O critério para a seleção do brinquedo foi que o mesmo tivesse várias peças e muitas conexões, o que proporcionaria uma rica fonte de estudo para a aplicação dos métodos que se desejava testar, visando obter uma redução de custo e aumento de confiabilidade. Para facilitar a nomenclatura, o objeto de estudo será referenciado como Modelo (Figura 1). O Modelo tem como funções a montagem de pequenos subgrupos, podendo gerar diferentes modelos de carrinho. O brinquedo não possui mecanismos automáticos para deslocamento. Ele foi adquirido em loja convencional de brinquedo, localizada na cidade de Curitiba-PR, em setembro de 2007, pelo valor de R$ 29,90, sendo este recomendado para crianças maiores de 7 anos. Trata-se de um produto nacional, apresentando 161 componentes, duas ferramentas e um manual para montagem. Basicamente, o produto é constituído de chapas de aço estampadas, com proteção superficial (grande parte é zincada), sendo algumas dessas chapas revestidas com pintura epóxi e apenas as rodas em plástico injetado. Figura 1 - Modelo 4. Melhoria do projeto do modelo 4.1 Aplicações de Análise de Valor (AV) Para a aplicação da AV, foi determinada a meta de redução na quantidade de componentes em pelo menos 20%. Para tanto, foi confeccionada uma lista com os componentes e suas denominações e funções. No passo seguinte, o Modelo foi montado, verificando-se as funções 5

6 de cada um dos 161 componentes do conjunto. Nesse processo de montagem, as reais necessidades de cada componente foram avaliadas pelo grupo. Paralelamente, foi criado um modelo virtual no Software Autodesk Inventor (Figura 2), para auxiliar na quantificação, qualificação e determinação dos principais componentes do Modelo. Para apoiar o estudo do Modelo, foi criada a matriz de AV (Tabela 1), sendo dispostos todos os seus componentes em linha e, dispostas nas colunas à direita, as alternativas para possíveis mudanças. Para verificar a possibilidade de melhoria do projeto do produto, cada componente do Modelo foi avaliado segundo as 15 propostas de alterações da matriz AV. Posteriormente, foram verificadas as funções de cada componente, promovendo a eliminação dos que não comprometiam a funcionalidade do produto. Assim, foi alcançada a eliminação de 76 componentes, representando uma redução de aproximadamente 47%, mantendo-se as mesmas funções originais do produto. É importante ressaltar que não foram realizadas alterações de materiais, para manter o propósito original do Modelo. Figura 2 Modelagem com o software Autodesk Inventor ANÁLISE DE VALOR Produto Modelix modelo Caminhonete Qtde de peças 161 Meta Redução de 20% Função N Denominação Verbo Substantivo 1 - Este elemento pode ser eliminado? 2 - Pode ser combinado com outros elementos? 3 - Pode ser decomposto em peças mais simples? 4 - Pode ser utilizada uma parte normalizada? 5 - Pode ser utilizado um componente normalizado? 6 - Pode ser utilizado um material mais barato? 7 - Pode ser utilizado menos material? 8 - Pode ser desperdiçado menos material? 9 - Pode ser comprado mais barato? 10 - Pode ser reduzido o nível de refugo? 11 - Podem ser afrouxados os limites? 12 - Pode ser economizado no acabamento? 13 - Podem ser simplificados os métodos? 14 - O risco de erro pode ser reduzido? 15 - Pode se tentar mais alguma coisa? 1 Parafuso de fixação do estepe Fixar Estepe 6

7 2 Estepe Embelezar Produto 3 Parafuso de fixação da lateral Unir Lateral 4 Porca trava do eixo Travar Roda 5 Roda Gerar Movimento 6 Tabela 1 Visão parcial das análises realizadas através da Matriz de AV 4.2 Aplicação do DFMA Valendo-se dos critérios expostos na revisão bibliográfica, a aplicação do DFMA proporcionou a redefinição e eliminação de alguns componentes com considerável redução do número de fixações, sem que as características básicas do produto fossem alteradas. A Figura 3 mostra as melhorias obtidas com a aplicação deste método. Figura 3 Aplicação da ferramenta DFMA e sua eficácia com o auxílio do software Autodesk Inventor Como se pode evidenciar na Figura 3, houve a redução de componentes de fixação, gerando outro similar, porém, em peça única, facilitando o manuseio, montagem e evitando erros de má interpretação do manual de montagem. Houve também a redução de operações de manufatura como o processo de estampagem em alguns componentes, diminuindo assim o seu tempo de ciclo de fabricação. Com o estudo dos dois métodos, gerou-se o modelo intermediário exposto na Figura 4, no qual pode ser ressaltada as seguintes mudanças em relação ao modelo original: redução de 60 itens referentes à chapas, parafusos, porcas e partes plásticas. Além disso, 20 junções originalmente parafusadas foram eliminadas. 7

8 Figura 4: Modelo intermediário Sobre esse modelo intermediário foi aplicado o FMEA de projeto, como descrito no próximo item. 4.2 Aplicação do FMEA A aplicação do FMEA foi fundamental para conseguir um produto mais robusto e com a mínima possibilidade de ocorrência de falhas. Foram identificados todos os pontos passíveis de falhas e seus modos, efeitos e causas, listados de acordo com a experiência da equipe para a determinação dos índices de ocorrência (O), gravidade (G), Detecção (D) e, consequentemente, risco (R). O índice O varia de 1 para ocorrência remota a 10 para muito alta. O índice G varia de 1 para gravidade mínima a 10 para muito alta. O índice D varia de 1 para detecção muito grande a 10 para muito pequena. O índice R é a conseqüência da multiplicação dos três índices anteriores. Admitiu-se que riscos (R) acima de 60 corresponderiam a uma ação a ser tomada para reduzí-lo. A Tabela 2 apresenta parte da matriz de FMEA utilizada, suas análises e tomadas de ações para a redução do risco (R). Subsistema Sistema de rodagem Carroceria Fonte: Componente ou Processo Roda Eixo Placas Cantoneira 90º FMEA Falhas possíveis Controle Índices depois da Índices antes da ação Ação tomada da ação Modo Efeito Causa Falha O G D R O G D R Soltar Perda do Ø do furo movimento maior Reduzir ø do furo Soltar Perda do Perda do movimento O ring Visual Eliminar O ring Desencaixar Perda do Eixo movimento menor Visual Peças com Desenvolver Montagem Perda da dimensões Visual manual detalhado errada função pequenas de montagem Montagem difícil Peças sem aperto Dimensão do furo Visual Tabela 2 Visão parcial da Matriz do FMEA Substituir furo por oblongo Dentre os resultados obtidos na análise do FMEA, tendo em vista a dificuldade de montagem do brinquedo, indicado para crianças a partir de 7 anos, destacamos a substituição dos 8 8

9 O rings que fixam as rodas por furos cegos, com redução do diâmetro desses furos. Essa alteração permite a montagem das rodas com interferência mecânica, evitando que elas se soltem com facilidade. Outra alteração foi a criação de um manual de montagem detalhando cada subconjunto (Figura da esquerda), ao invés de apresentar o produto como um todo (Figura da direita) (Figura 5). Figura 5 Manual detalhado por setores versus manual original 4.3 Novo modelo resultante das análises com os métodos AV, DFMA e FMEA de projeto Com a aplicação dos três métodos e a ferramenta gráfica foi possível obter o modelo apresentado na Figura 6. Como pode ser verificado na Tabela 3, houve a eliminação de uma quantidade significativa de peças e promovida a otimização das de maior dimensão, para que o conjunto tivesse características mais simples de montagem, facilitando a compreensão do público alvo, visto que são crianças. Antes Depois Figura 6 Modelagem do produto resultante das análises com a AV, o DFMA e o FMEA (Software Inventor) Além da robustez e simplificação adquirida após a aplicação das técnicas referenciadas no presente artigo, pode-se estimar a redução de custos em aproximadamente 38%. Os resultados são apresentados na Tabela 3 Denominação dos componentes Qtde Original Qtde Final Qtde reduzida Cantoneira 3 furos

10 Cantoneira 4 furos Cantoneira furo e oblongo Chapa 3 furos Chapa 3 furos e oblongo Chapa 7 furos Chapa furo e oblongo Chapa U 3 furos Chapa U 5 furos Eixo O-ring Pára-brisa Parafuso Parafuso do estepe Porca Reforço do Pára-brisa Roda Total de componentes Custo R$ 29,90 R$ 18,40 R$ 11,50 Tabela 3 Denominação, quantidade de componentes, redução e custos 5. Conclusões Nesse artigo a aplicação integrada dos três métodos gerou uma redução de custos, simplicidade e robustez no Modelo, que foram além das estimadas inicialmente. Para esta aplicação, a integração - especialmente entre o FMEA e a AV - não gerou interfaces onde algumas características fossem escolhidas em detrimento de outras. Isso facilitou o trabalho do grupo, porém, não são raros os momentos em que esta integração necessita da participação ativa das diversas áreas envolvidas no processo de desenvolvimento de produto para verificar qual característica deverá nortear as decisões. Como por exemplo, decidir entre uma alteração no tipo de material ou característica dimensional. Outro ponto a ser destacado é a possibilidade em se integrar as alterações advindas da aplicação dos métodos com o auxílio de recursos de ferramentas CAD, a qual proporciona uma rápida visualização das diversas propostas sugeridas pelo grupo multidisciplinar. Entre os principais resultados obtidos com a aplicação dos métodos AV e DFMA podem ser citados a redução de 42% dos componentes do produto original entre chapas, parafusos, porcas e partes plásticas e a eliminação de 20 uniões parafusadas. Posteriormente, com a aplicação do FMEA, houve uma redução de mais de 5% dos componentes do modelo original, além da alteração do manual de montagem do produto por outro mais detalhado. Com a aplicação conjunta da AV, DFMA e FMEA, além da robustez e minimização da possibilidade de ocorrência de falhas, houve uma redução de 47% na quantidade de componentes do conjunto e, por conseqüência, uma redução de aproximadamente 38% no custo final do produto. Referências BAXTER, MIKE. Projeto de Produto: Guia prático para o design de novos produtos, São Paulo, Edgard Blücher, 2 ed BRALLA, J. G. Handbook of product design for manufacturing, McGraw-Hill, Inc., New York, NY, USA, BRALLA, J. G. Design for excellence, McGraw-Hill, Inc., New York, NY, USA,

11 BROCKA BRUCE; BROCKA, M. SUZANE. Gerenciamento da Qualidade, São Paulo, Makron Books, BOOTHROYD, G.; DEWHURST, P. Product design for manufacture and assembly. Manufacturing Engineering, p , abril, CORRÊA, H.L.; CORRÊA C.A. Administração de Produção e Operações, São Paulo, Atlas, 2ª ed., EDWARDS, K.L. Towards more strategic product design for manufacture and assembly: priorities for concurrent engineering, Materials & Design, LUIS, S.; ROZENFELD, H. Análise de Valores. [S.l.]: NUMA, 1999, disponível em: acesso em abril de PORTAL DE CONHECIMENTOS. Melhores práticas de análise de valores, acessado em março de PORTAL DE CONHECIMENTOS. acessado em março de Melhores práticas de FMEA, PAHL, G; BEITZ, W; FELDHUSEN, J.; GROTE, K. Projeto na Engenharia, São Paulo, Edgard Blücher, 6ª ed., ROZENFELD, H. ET AL. Gestão de Desenvolvimento de Produtos - Uma Referência para a Melhoria do Processo, Saraiva, São Paulo, 1ª ed., SLACK, NIGEL ET AL. Administração da Produção, São Paulo, Atlas, TSAI-C. KUO; SAMUEL H. HUANG; HONG-C. ZHANG. Design for Manufacture and Design for X : Concepts, Applications and Perspectives, Computers & Industrial Engineering 41,