Aplicação de uma metodologia de otimização de layout para organização industrial de uma empresa metalúrgica em expansão

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1 Aplicação de uma metodologia de otimização de layout para organização industrial de uma empresa metalúrgica em expansão Marcos Albertin (FUNDATEC) Leonardo Gomes (FUNDATEC) Natanael Sanches Romeu (PUCRS) Resumo Este artigo aborda conceitos de organização industrial e otimização de layout através de estudos de fluxos produtivos, utilizando um método de análise do processo produtivo baseado em tecnologias de grupo. A aplicação da metodologia proposta é demonstrada através de um estudo de caso em uma empresa metalúrgica em expansão do setor metal-mecânico, de médio porte, com processo produtivo de grande variedade de produtos, lotes pequenos e médios. Observaram-se ótimos resultados operacionais e da metodologia para identificação de agrupamentos. Palavras-chave: Otimização de Layout, Arranjo Físico e Tecnologia de Grupo. 1. Introdução Empresas industriais estão constantemente avaliando a necessidade de reorganizar os seus processos a fim de otimizar recursos e melhorar os seus fluxos produtivos dando suporte as suas prioridades competitivas da manufatura e atendendo a demandas flutuantes. O mercado automotivo é conhecido pelos seus desafios em flexibilidade, custos, qualidade, alta dinâmica e competitividade. Em especial, o mercado agrícola teve uma enorme expansão nos últimos anos, até o final de 2004, provocando um aumento desordenado da capacidade produtiva de muitos fornecedores da cadeia produtiva gaúcha (ALBERTIN, 2003). Segundo o mesmo autor, o desafio é maior quando se trata de empresas com grande variedade de peças, lotes relativamente pequenos característico do parque automotivo tradicional do Rio Grande do Sul composto de fabricantes de tratores, colheitadeiras, ônibus e motores, entre outros e seus fornecedores. Este trabalho descreve a otimização e resultados obtidos da reorganização industrial através da utilização do uso de metodologia desenvolvida para Tecnologia de Grupo. 2. Descrição da empresa e objetivos do trabalho Empresa de médio porte, situada no distrito industrial de Gravataí (RS), atua no ramo metalmecânico, trabalhando com a usinagem de precisão de peças forjadas, fundidas e de barras trefiladas e extrudadas. A empresa pesquisada possuía um layout por processos dividido nos seguintes setores: tornos mecânicos e copiadores convencionais, furadeiras, prensas, frezadoras e geradoras, máquinas CNC do tipo torno e centro de usinagem, retíficas e outros equipamentos dispostos aleatoriamente. De um total de 62 máquinas, 30% das máquinas foram adquiridas nos últimos anos para aumentar a capacidade produtiva e atender a demanda crescente ocorrida até Foram identificados 532 fluxos diferentes para 742 peças pertencentes a cinco famílias principais (eixos, buchas, forjados, fundidos e outros). ENEGEP 2005 ABEPRO 402

2 A programação da produção era feita manualmente, sem ferramentas de otimização de apoio com enorme dificuldade de atendimento de prazos para os seis clientes principais. O desempenho no atendimento de prazos era, de aproximadamente 60% e com uma produção em atraso entre 15 a 20 mil peças usinadas equivalente a uma produção semanal. A produção atrasada era recuperada através de jornadas extras de trabalhos extras. A disposição das máquinas muito próximas entre si dificultava a visualização e identificação dos lotes e facilitava a mistura de produtos ou peças e lotes que permitiam a expedição de peças prontas com peças onde faltavam pequenas operações além de perder a rastreabilidade dos lotes. O objetivo principal do trabalho é verificar a eficácia da metodologia de otimização de layout para alcançar os seguintes objetivos operacionais: diminuição do lead time, do estoque intermediário, da ocorrência de quebras de lote, melhorar a visualização e identificação dos lotes, melhorar o planejamento da produção, diminuir radicalmente o atraso de peças, melhorar o atendimento de prazos e facilitar a programação por grupos de máquinas. 3. Revisão Bibliográfica Nesta seção são apresentados conceitos de Tecnologia de Grupo, os princípios básicos de arranjo físico, diferentes tipos de layouts e a relação destes com tipos de processos, volumes e variedades de produtos. Tecnologia de Grupo é uma filosofia que define a solução de problemas explorando semelhanças, para se obter vantagens econômicas e operacionais mediante tratamento de grupo. O agrupamento em famílias é determinado por meio de metodologias, identificando processos ou produtos com características semelhantes. A vantagem é obtida quando estes produtos considerados de pequeno lote são tratados no planejamento produtivo como família de peças ou como produção seriada (LORINI, 1993). O layout de um processo produtivo preocupa-se com a localização física dos recursos incluindo o posicionamento de pessoas, instalações, máquinas e equipamentos na produção (SLACK et al., 1997). Segundo Lorini (1993), modificações no layout podem influenciar uma organização na forma como ela atende as suas prioridades competitivas facilitando os fluxos de materiais e de informações aumentando a eficiência da utilização de recursos, reduzindo riscos de acidentes do trabalho, elevando a moral dos trabalhadores e a comunicação entre as áreas envolvidas. A literatura pesquisada identifica os seguintes quatro tipos básicos de layouts: arranjo físico posicional, por processo, celular e por produto (SLACK, 1997). O mesmo autor relaciona os tipos de arranjos aos tipos de processo, variedade e quantidade de produto.a Figura 1 mostra que um tipo de processo não implica necessariamente em um tipo específico de arranjo físico. O volume e a variedade de produtos estão fortemente relacionados com o tipo de layout. A Figura 2 exemplifica esta relação. O layout por produto é apropriado para altos volumes e baixa variedade; layout funcional para baixo volume e alta variedade; layout celular para níveis intermediários de volume e variedade e layout fixo para volume e variedade menores. Desta maneira, pode-se afirmar que o tipo de layout mais adequado para cada organização vai depender da variedade e quantidade dos produtos produzidos. Observa-se, entretanto que uma planta industrial poderá combinar mais de um tipo de layout. A seguir são descritos dois tipos de layout estudados neste trabalho, o layout por processos e o layout celular. O layout funcional ou por processo agrupa processos operacionais ou equipamentos similares fazendo ENEGEP 2005 ABEPRO 403

3 que os produtos percorram os agrupamentos conforme seu roteiro de produção (SLACK, 1997). Tipos de processo de manufatura Tipos de layout Processo por projeto Processo tipo jobbing Processo tipo batch Layout posicional Layout por processo Layout celular Processo em massa Processo contínuo Layout por produto Figura 1 Relação entre tipos de processos e arranjos físicos Baixo Arranjo físico produto Variedade Arranjo físico celular Arranjo físico processo Alta Arranjo físico posicional Baixo Volume Alto Figura 2 Tipos de layouts de acordo com volume e variedade de produtos O layout por processo é aplicado para produtos com fluxos que se repetem de forma intermitente, isto é, lotes pequenos e repetitivos (LORINI, 1993). Arranjo físico celular é aquele em que os recursos necessários para uma determinada classe ou família de produtos são agrupados. As máquinas são arranjadas em grupos de tipos diversos, destinadas a atender inteiramente a fabricação de uma família de peças (LORINI, 1993). Desta maneira, os recursos transformados, entrando na operação, são pré-selecionados para movimentar-se para uma parte específica da operação (ou célula) na qual todos os recursos transformadores necessários a atender as necessidades de processamento se encontram. A célula em si pode ser arranjada segundo um arranjo físico por processo ou por produto (SLACK,1997). Quando os recursos são destinados a estes agrupamentos utilizamos neste trabalho a expressão mini-fábricas. A célula de manufatura, em comparação aos layouts tradicionais, pode proporcionar aumentos de 10 a 20% na produtividade da mão-de-obra direta. Também produzem benefício de diminuição de 70 a 90% dos equipamentos de movimentação e manuseio de materiais, a redução de 95% dos estoques em processo e a diminuição de 50% na área de fabricação (BARBOSA,1999). ENEGEP 2005 ABEPRO 404

4 4. Metodologia de otimização de layout Esta seção descreve a metodologia empregada para o planejamento sistemático de layout com a descrição das suas principais fases. Esta metodologia foi desenvolvida baseada na bibliografia tradicional do SLP Systematic Layout Planing considerando as etapas de análise, pesquisa e seleção e aprimorada para processos intermitentes pelos autores do trabalho. Para análise e pesquisa foram utilizadas ferramentas de tecnologia de grupo em especial o uso de algoritmos (LORINI, 1993). A metodologia proposta consiste de onze etapas assim descritas: 1- Construção de uma matriz binária de Produtos versus Máquinas: relaciona-se na coluna vertical todos os produtos fabricados na organização industrial e na linha horizontal todos os equipamentos disponíveis, ou vice-versa. Equipamentos ou máquinas iguais ou com as mesmas características ocupam a mesma posição conforme Figura 3. Para cada produto marca-se com o algarismo 1 as máquinas que compõem o seu fluxo. Desta maneira a peça A é processada nas máquinas M1, M2, M4 e M7. M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 Peça A B C D E F G Figura 3 Construção da Matriz 2- Aplicação do algoritmo de ROC (Ranked Order Clustering) ou de King: Nesta etapa usa-se a técnica de algoritmos descrita por Lorini (1993) com auxílio de uma planilha eletrônica. Esta técnica permite visualizar agrupamentos de produtos ou peças com fluxos ou roteiros de produção semelhantes. Este método trabalha com uma matriz, considerando cada linha e coluna como uma palavra binária e ordenando-as de acordo com o seu valor decimal correspondente.o algoritmo estabelece uma ponderação binária, onde 1 representa a incidência da peça na máquina e 0, o caso oposto, conforme Figura 3. Um valor decimal correspondente a cada palavra binária é atribuído para linhas e colunas. Com estes valores o algoritmo rearranja as linhas e colunas da matriz até que as mesmas fiquem dispostas em ordem decrescente possibilitando identificar agrupamentos, conforme Figura 4 (LORINI, 1993). M1 M2 M4 M7 M3 M5 M6 A C E G B D F Figura 4 Aplicação do algoritmo ENEGEP 2005 ABEPRO 405

5 3- Análise dos resultados: Nesta etapa são analisados os grupos de produtos com fluxos semelhantes, a abrangência e semelhança dos grupos e as quantidades de produtos nos diferentes agrupamentos. Observa-se que na prática não existem agrupamentos perfeitos e que alguns agrupamentos devem ficar mais próximos, pois compartilham as mesmas operações ou máquinas. 4- Escolha dos arranjos físicos: Depois da visualização dos possíveis agrupamentos procurase definir os arranjos físicos possíveis, as vantagens e desvantagens de cada tipo considerando prioridades competitivas. È recomendado o acompanhamento e comprometimento dos responsáveis da produção e dos operadores. 5- Seleção das máquinas e produtos que serão utilizados no layout: Para cada layout escolhido são definidos os equipamentos e os produtos considerando as capacidades produtivas, gargalos e demandas específicas. 6- Seleção de indicadores de desempenho: È importante comparar melhorias e resultados obtidos através de indicadores como lead time, estoque em processo, área utilizada, entre outros. 7- Implantação do projeto: Nesta etapa utiliza-se apoio de aplicativos informatizados e maquetes para planejar cada etapa de reorganização industrial. Não é finalidade deste trabalho descrever esta etapa. 8- Análise e comparação de resultados: Através de indicadores e entrevistas é possível quantificar os benefícios proporcionados do processo produtivo reorganizado. No exemplo da Figura 4, observam-se dois agrupamentos perfeitos. O primeiro agrupamento está entre as máquinas M1, M2, M4 e M7 com as peças A,C,E,G. O segundo agrupamento está entre as máquinas M3,M5 e M6 com as peças B,D e F. Na prática observam a existência de agrupamentos não perfeitos. 5. Estudo de caso A seguir são descritas as principais etapas de aplicação da metodologia em uma empresa metalúrgica desenvolvidas ao longo do ano 2004 por uma equipe de apoio composta por um pesquisador, um especialista em layout e um estagiário juntamente com um grupo de representantes da empresa, incluindo gerente, líder e operadores Construção da matriz binária Primeiramente, foram numeradas as máquinas e relacionadas as peças produzidas nos últimos doze meses. Foram cadastradas 742 peças. Após foi construída a matriz binária produtos versus equipamentos. As 65 máquinas cadastradas foram agrupadas em 22 conjuntos. Foram cadastrados também três setores, os de afiação, bancada e solda. Os 22 conjuntos de máquinas identificados foram: Serras, Tornos CNC, Tornos mecânicos, Tornos copiadores, Tornos revólveres, Furadeiras, Centro de usinagem, Geradora, Brochadeira, Frezadora universal e ferramenteira, Chavetadeira, Plaina, Retifica interna e Retifica universal e outras máquinas específicas. Após esta etapa desenvolveu-se o Algoritmo de King na matriz 742 produtos versus 65 máquinas. O algoritmo foi aplicado em planilha eletrônica EXCEL. Foram identificados 502 fluxos (roteiros) diferentes, ou seja, 1.47 peças por fluxo. Analisando os resultados não foi possível identificar agrupamentos consistentes. Em uma segunda análise foi rodado o algoritmo pôr fluxos, unindo processos de usinagem bastante semelhantes como furação, usinagem tornos CNC. Simplificou-se esta análise retirando as máquinas cadastradas como ENEGEP 2005 ABEPRO 406

6 serras e retíficas. O resultado foi um agrupamento mais homogêneo, mas com fluxos ainda muito distintos. Na análise por fluxos conclui-se que a empresa possui a maioria das peças com fluxos diferentes e com pouca semelhança Escolha do arranjo físico Em reuniões realizadas com operadores, líder e com o gerente de produção, juntamente com a equipe de suporte considerando os objetivos propostos definiu-se três agrupamentos por fluxos e foi proposto: Melhorar o layout atual por processos, isto é, agrupamento de retíficas, tornos mecânicos, furadeiras, CNC's e serras; Desenvolver uma mini-fábrica com buchas (anéis, luvas, arruelas) de ø30 até ø60 mm; Desenvolver uma mini-fábrica com buchas (anéis, luvas, arruelas) de ø60 até ø120 mm; Desenvolver uma mini-fábrica para eixos e semi-eixos denteados; Identificar locais de entrada e saída de peças e realizar estudos de capacidade para identificar gargalos para cada mini-fábrica Descrição das mini-fábricas Na mini-fábrica 1 foram definida as seguintes máquinas: Quatro tornos CNC, uma furadeira, um torno mecânico, um torno copiador e uma prensa. Foram escolhidas peças como haste, luva, eixo pequeno, bucha, anel e garfo. Na mini-fábrica 2 foram definidas 5 máquinas, são elas: Um torno CNC, uma chavetadeira, duas geradoras (gargalo) e uma prensa de desempeno para peças do tipo eixos longos denteados e estriados. Na mini-fábrica 3 foram selecionadas 3 máquinas: dois tornos CNC iguais e uma furadeira para as seguintes peças: Bucha, bucha guia, anel e pistão de menores diâmetro Indicadores de desempenho Para quantificar os benefícios econômicos e operacionais foram definidos indicadores por fluxo nas mini-fábricas. O desempenho operacional antes de depois da reorganização industrial foi calculado para peças representativas de cada mini fábrica, por tipo de roteiro (fluxo). Os indicadores utilizados compreendiam a distância pela peça na minifábrica, tempo de permanência da peça na mini-fábrica, número de fluxos existentes em cada mini-fábrica, número de peças em processo por mini-fábrica, área usada para os recursos e o número de operadores em cada mini-fábrica. Os resultados alcançados estão respectivamente representados nas Tabelas 1, 2 e 3. Operadores Máquinas Média de peças em processo Lead Time médio fluxos máxima mínima Área utilizada antes , m 4m 180m² depois , m 4m 159m² Ganho ,55% 17,94% 0% 11,66% Perda ,70% 4,30% - - 0% - Tabela 1 Indicadores da mini-fábrica 1 ENEGEP 2005 ABEPRO 407

7 Operadores máquinas Média de peças em processo Lead Time Médio Fluxos máxima mínima Área utilizada antes dias 4 42m 41m 193m² depois dias 4 3m 3m 19m² Ganho 1 0% 37,14% 47,05% 0% 92,85% 92,68% 90,15% Perda - 0% - - 0% Tabela 2 Indicadores da mini-fábrica 2 Operadores máquinas Média de peças em processo Lead Time Médio Fluxos Máxima Mínima Área utilizada antes dias 6 45m 20m 79m² depois dias 6 13m 8m 42m² Ganho 2 0% - 6,80% 0% 71,11% 60% 46,83% Perda - 0% 116,98% - 0% Tabela 3 Indicadores da mini-fábrica 3 Três meses após a reorganização do layout realizaram-se entrevistas sob a percepção dos benefícios do novo layout. Foram entrevistados aproximadamente 10% dos envolvidos com perguntas abertas. 6. Análise dos resultados Os dados da tabela 1 a 3 mostraram que os ganhos relativos a diminuição de mão-de-obra foram bastante significativos, embora este não fosse um objetivo operacional almejado. O aumento de máquinas utilizados na mini-fábrica 1 foi devido a identificação do gargalo chavetadeira. A operação de denteamento realizada por estas máquinas consome muito tempo e atraiu maior atenção para a programação e controle da produção. A média de peças em processo teve um aumento nas mini-fábricas. Com a concentração de peças nas áreas de entradas e saídas criou-se um novo desafio para a programação diária da produção de atender as variações ente capacidade produtiva e demandas. Este problema não era tão visível anteriormente. Este acúmulo de peças intermediárias provocou o aumento de lead time reforçando a necessidade de programar a produção conforme capacidade e prioridades de prazos. O aumento de estoques intermediários ficou facilmente visível com o rearranjo físico. Os ganhos de distância percorridos e área utilizada foram expressivos devido ao agrupamento dos equipamentos. Os entrevistados demonstraram grande aceitação do layout novo, através das pesquisas. Operadores multifuncionais se adaptaram as novas operações com facilidade. A organização e armazenamento dos dispositivos de medição e ferramental específico no local, próximo às máquinas, facilitou as rotinas diárias. Entre os principais benefícios citados estão: Melhor apresentação da fábrica para clientes; Áreas de entradas e saídas possibilitaram maior gerenciamento do trabalho; Maior espaço para movimentação e visualização com menor mistura de lotes; Melhor visualização de gargalos, nas áreas de entradas e saídas, ENEGEP 2005 ABEPRO 408

8 A maior contribuição foi o aumento registrado no indicador de atendimento de prazos com média de 90% e diminuição de peças atrasadas de 15 a 20 mil peças para as atuais 1000 peças. A programação da produção mesmo realizada de forma empírica foi facilitada pelo controle visível de fluxos e gargalos. Certamente a diminuição de demanda de 10% em relação ao ano anterior também influenciou este excelente desempenho. 7. Conclusão A matriz binária de peças e máquinas mostrou a variedade de fluxos utilizados na empresa, sendo que para cada 1,47 peças havia um fluxo diferente. A utilização do algoritmo de King confirmou a não existência de agrupamentos, ou seja, a não homogeneização dos processos produtivos (roteiro). Embora existia uma grande quantidade de peças por famílias bem definidas estas percorriam caminhos diversos devido à especificidade das máquinas ou detalhes de desenhos. O fato de ter rodado o algoritmo de King por agrupamentos de fluxos (máquinas foram substituídas na matriz binária por operações, ex. tornos mecânicos de diferentes capacidades foram substituídos por operações do tipo facear e tonear) ajudou na identificação de agrupamentos de peças por fluxos possibilitando a reorganização do processo produtivo em mini-fábricas, organizadas por layout de processos e do tipo celular. Neste caso, a metodologia e o algoritmo de King se mostraram eficazes. A identificação das peças nas mini-fábricas e o cálculo de capacidades por operações proporcionaram a identificação de gargalos e facilitou enormemente a programação e, provavelmente a diminuição de quantidades de peças atrasadas e prazos não atendidos. Referência ALBERTIN, M. O processo de governança em arranjos produtivos: o caso da cadeia automotiva do RGS. Porto Alegre: UFRGS, Tese de Doutorado, PPGEP. ARRUDA, P. E. S. (1994), Levantamento do estágio atual de implantação de tecnologia de grupo e Células de manufatura no estado de São Paulo, Dissertação de Mestrado, São Carlos. BARBOSA, S. A. (1999), Um estudo da implantação da filosofia Just in Time em uma empresa de grande porte e sua integração ao MRPII, Dissertação de Mestrado, São Carlos. LORINI, F. J. (1993), Tecnologia de grupo e organização da Manufatura, Ed. Da UFSC. SLACK, N; CHAMBERS, S; HARLAND, C; HARRISON, A; JOHNSTON.R. (1997), Administração da Produção, Ed. Atlas S.A. KOSTROW, P. The Facilities Planning Process. Facilities Planning, Executive, p , May-June, ENEGEP 2005 ABEPRO 409