DIEGO FERNANDES RODRIGUES OS SISTEMAS CAE E SEU USO NO PROCESSO DE DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS

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1 DIEGO FERNANDES RODRIGUES OS SISTEMAS CAE E SEU USO NO PROCESSO DE DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS Joinville 2011

2 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Exemplo de sistemas CAD... 5 Figura 2 Exemplo de sistemas CAI no processo de manufatura... 6 Figura 3 - Exemplo de sistemas CAM... 7 Figura 4 - Exemplo de sistemas CAE... 8 Figura 5 - Interação do PDP com os sistemas CAx... 8 Figura 6 - Integração entre sistemas CAx... 9 Figura 7 - Exemplo de aplicação de sistemas CAx Figura 8 - Exemplo de aplicação de CFD Figura 9 - Representação esquemática de uma malha Figura 10 - Comparação entre modelo CAD e malha de elementos finitos Figura 11 - Comparação entre método implícito e método explícito Figura 12 - Exemplo de aplicação do método implícito Figura 13 - Exemplo de aplicação do método explicito Figura 14 - Atividade onde os sistemas CAE podem atuar durante a fase de projeto conceitual Figura 15 - Atividades onde os sistemas CAE podem atuar durante a fase de projeto detalhado Figura 16 - Atividade onde os sistemas CAE podem atuar durante a fase de preparação da produção... 21

3 SUMÁRIO SUMÁRIO SISTEMAS CAE E O SEU USO NO PDP Características dos Sistemas CAx aplicados ao PDP Sistemas CAE Dinâmica dos Fluidos Computacional: Análise Estrutural O Uso de Sistemas CAE no PDP Uso de Sistemas CAE na Fase de Projeto Conceitual O Uso de Sistemas CAE na Fase de Projeto Detalhado O Uso de Sistemas CAE na Fase de Preparação para a Produção REFERÊNCIAS... 22

4 1. SISTEMAS CAE E O SEU USO NO PDP No dias atuais é impossível falar do processo de desenvolvimento de produtos sem mencionar os benefícios do computador para o bom andamento das atividades. Os computadores estão presentes em todas as fases do PDP, seja para a produção de relatórios em editores de texto, controle e gestão de informações como cronogramas ou em processos logísticos para a compra de insumos e controle de estoques. Segundo Pahl e Beitz (2005, p. 41) o emprego do processamento de dados e da tecnologia da informação serve tanto para a melhoria do produto como também para a redução do custo de projeto para a produção. Indo ao encontro destas necessidades sugiram os sistemas Computer Aided x, CAx, ou, em uma tradução livre, x Auxiliado por Computador, onde este x são as alternativas de tarefas que podem ser automatizadas com o uso de um computador. Há uma grande quantidade de tecnologias que podem ser sintetizadas com a designação CAx (Pahl e Beitz, 2005). Há programas para cálculo e dimensionamento de peças, subconjuntos ou produtos, para otimização de produtos, componentes ou processos, para simulação de relações de movimentos entre diversas outras (Pahl e Beitz, 2005), e para cada um destas soluções há uma nova designação Características dos Sistemas CAx aplicados ao PDP Uma lista completa de todas as designações dos sistemas CAx pode ser excessivamente extensa e foge da proposta deste trabalho, de forma que serão apresentadas alguns dos vários sistemas de forma superficial e apenas um será desenvolvido em maiores detalhes. Caso seja de interesse do leitor um conhecimento mais profundo nos diversos sistemas existentes, o autor sugere que seja consultada uma bibliografia especializada. Assim, apesar de ser possível encontrar algumas variações nas diversas literaturas existentes a respeito do tema, a maioria dos autores designa parte dos vários sistemas CAx da seguinte forma: CAD, Computer Aided Design ou Projeto Auxiliado por Computador: São classificados desta forma os sistemas que auxiliam na criação das representações geométricas dos SSCs.

5 Essa representação geométrica pode ser tanto em duas dimensões, na forma de desenhos de engenharia, ou em três dimensões, na forma de modelos sólidos ou em casca. Estes sistemas são largamente utilizados nos dias atuais e estão em ampla expansão. Uma imagem de um dos programas do sistema CAD pode ser visto na Figura 1. Figura 1 - Exemplo de sistemas CAD Fonte: (Acesso em: 24. jun. 2009) CAPP, Computer Aided Process Plane ou Planejamento de Processo Auxiliado por Computador: Programas designados desta forma são responsáveis pela realização de cálculos referentes aos processos de fabricação dos componentes de um produto, bem como armazenamento de informações do mesmo. O principal ganho com o uso estas ferramentas é o aumento da produtividade de planejamento de processo e a alta confiabilidade dos dados, entre outros benefícios (Rozenfeld et al, 2006). CAI, Computer Aided Inspection ou Inspeção Auxiliada por Computador: São classificados assim os softwares responsáveis pela fiscalização de componentes ou processos de fabricação e montagem. Normalmente necessitam de um conjunto de outros recursos como câmeras ou sensores para que possam realizar as verificações. A Figura 2

6 ilustra um programa de CAI realização inspeções em uma linha fabricação de aros para carros. Figura 2 Exemplo de sistemas CAI no processo de manufatura Fonte: (Acesso em 24. jun. 2009) CAM, Computer Aided Manufacturing ou Manufatura Auxiliada por Computador: Os sistemas CAM compõem os sistemas que auxiliam o processo de manufatura em geral. Realizam cálculos de trajetórias de ferramentas em processo de usinagem, calculam o tempo aproximado do processo e permite a simulação da manufatura utilizando diferentes ferramentas e parâmetros. São programas bastante populares, principalmente nos setores de manufatura por remoção de material como usinagem por fresamento ou torneamento onde é comum sua utilização para a criação dos programas CNC que gerenciam grande parte das máquinas modernas e de alta capacidade. A Figura 3 mostra um programa do sistema CAM.

7 Figura 3 - Exemplo de sistemas CAM Fonte: (Acesso em: 24. jun. 2009) CAE, Computer Aided Engineering ou Engenharia Auxiliada por Computador: São classificados dessa forma todos os programas que aproximam o comportamento de um processo ou dos SSCs sob várias condições físicas, como temperaturas, pressões, aplicações de força, velocidade, acelerações, campos eletromagnéticos e praticamente qualquer outro fenômeno físico que possa ocorrer durante o ciclo de vida do produto. Por ser o objeto de estudo do presente trabalho, este sistema será abordado com maior ênfase em um capítulo posterior. A Figura 4 ilustra a análise dos esforços sofridos por uma bola de golfe sujeita ao impacto do taco e considerando os efeitos aerodinâmicos realizada em um programa CAE.

8 Figura 4 - Exemplo de sistemas CAE Fonte: Hanna (2007) Cada uma dessas tecnologias descritas pode ser aplicada em uma ou mais fases do PDP, dependo do produto a ser desenvolvido, do grau de inovação do produto e da experiência da empresa no uso dos programas. Analisando a interação entre o Modelo Unificado de PDP com estas tecnologias se obtém a Figura 5. Figura 5 - Interação do PDP com os sistemas CAx Fonte: O autor

9 Pode-se notar pela Figura 5 que há uma seqüenciamento entre os diversos sistemas CAx durante o PDP, iniciando com o uso de sistemas CAD e progredindo até os sistemas CAI. Essa linearidade ocorre principalmente devido ao fluxo de informações durante as fases do processo, pois em sua essência os sistemas CAx são independentes entre si. Contuto é importante salientar o ganho de produtividade com a utilização dos diversos sistemas CAx de forma integrada. Segundo Souza (2005), a partir da década de 80, com a evolução dos sistemas CAD, outros sistemas computacionais tiveram ênfase, porém a integração entre eles limitavam o seu uso nas empresas. A possibilidade da utilização integrada de vários recursos computacionais, auxiliada pela redução do investimento para aquisição dos programas, contribuiu para que várias empresas investissem em sistemas inteiros de CAx no dias atuais. No centro desta integração encontram-se os programas dos sistemas CAD. As geometrias geradas em programas CAD podem ser usadas por todos os outros sistemas, assim, uma empresa que opta por um sistema integrado de CAx pode facilmente utilizar as geometrias dos SSCs geradas nos programas CAD e transportá-las para os programas CAM para analisar as aspectos relacionados a fabricação ou para programas CAE e analisar seu comportamento físico. A Figura 6 ilustra esta relação entre os sistemas CAx. Figura 6 - Integração entre sistemas CAx Fonte: Souza (2005)

10 A Figura 7 exemplifica a aplicação dos sistemas CAx em uma empresa tendo em vista um componente de plástico injetado. É importante salientar que a figura ilustra as atividades de forma seqüencial com a intenção de facilitar o entendimento do leitor, em uma aplicação segundo o Modelo Unificado essas atividades ocorreriam com uma parcela de sobreposição visando a redução do tempo total do desenvolvimento. Figura 7 - Exemplo de aplicação de sistemas CAx Fonte: Souza (2005)

11 Na Figura 7 o processo inicia com a obtenção da geometria do produto em um ou mais programas CAD, levando em consideração que a equipe de projetistas, envolvidas com aspectos técnicos relacionados ao produto, e a equipe de designer, responsáveis pela estética do produto, podem usar programas diferentes, A geometria obtida é pode ser usada então em todos os outros programas da cadeia CAx, Os programas CAE utilizam a geometria como base para a obtenção da representação matemática do modelo, no caso citado, para aproximar o comportamento do polímero durante o processo de injeção para a obtenção da peça. A mesma geometria pode ser utilizada como base para o cálculo das trajetórias da ferramenta de usinagem em um programa CAM, auxiliando a determinação do tempo e custo aproximado de processo de fabricação do molde. A figura ainda mostra que os programas CAM são capazes de criar os programas NC utilizados para na programação dos equipamentos de usinagens de grande porte, chamados de máquinas CNC. A geometria ainda pode servir de referência para um programa CAI, comparando a geometria ideal, obtida via CAD, com a geometria real, obtida através da medição de vários pontos de um componente já injetado por uma máquina de medir por coordenadas Sistemas CAE Os sistemas CAE envolvem uma grande família de ferramentas computacionais ligadas por uma só característica: todas são usadas para a simulação de fenômenos físicos ou fisioquímicos. Dessa forma, são agrupadas em um grande grupo programas para análise vão desde comportamento de componentes mecânicos sob carregamentos variáveis até ações de campos magnéticos, passando por simulações de aerodinâmica, troca de calor e de reações químicas, entre outras possibilidades. Tratar todo o universo de possibilidades dos sistemas CAE renderia várias páginas e fugiria do escopo deste trabalho, por isso este capítulo propõe uma visão geral sobre a amplitude do tema e lista algumas aplicações práticas desta plataforma de programas.

12 Dinâmica dos Fluidos Computacional: Programas voltados a Dinâmica dos Fluidos Computacional ou, como são mais conhecidos, pela sigla em inglês CFD (Computational Fluid Dynamics) tratam da simulação de escoamento de fluidos, aerodinâmica, reações químicas, combustão entre outros fenômenos relacionados através do equacionamento matemático e de algoritmos baseados nas leis da conservação da massa, momento e energia restringidas por condições prescritas de contorno. Estes equacionamentos geram valores para variáveis como pressão, velocidade e temperatura dentro de um campo ou domínio em regimes transientes ou estacionários (Queiroz, 2008). A Figura 8 ilustra a aplicação este tipo de solução aplicada em um processo de fundição. A imagem mostra o interior de um conversor simulando a oxidação do ferro-gusa. Figura 8 - Exemplo de aplicação de CFD Fonte: Odenthal e Vogl (2007)

13 Análise Estrutural Programas CAE voltados para a análise estrutural começaram a ser desenvolvidos praticamente desde o surgimento dos primeiros computadores, por empresas de alta tecnologia como Boeing. Estes primeiros programas eram bastante específicos e limitados pela capacidade de processamento dos computadores da época. Os primeiros programas CAE comerciais para a análise estrutural sugiram por volta dos anos 60 em uma parceria entre a NASA (National Aeronautics and Space Adiministration) e a MSC (MacNeal- Schwendler Corporation) e que resultou na criação do programa NASTRAN, muito utilizado até os dias atuais (Adams e Askenazi, 1999). Os programas para análise estrutural buscam a solução de um problema de engenharia através da discretização de uma geometria complexa de um conjunto de geometrias simples conectadas entre si. Este método de solução é conhecido como método dos elementos finitos, MEF. Assim, uma geometria oriunda dos programas CAD seria transformada eu um conjunto de pequenas geometrias chamadas de elementos e conectadas entre si em pontos chamados de nós, formando o que se dá o nome de malha de elementos finitos. Através de um algoritmo a malha é transformada em uma matriz algébrica que é representação matemática do SSCs em estudo, esta matriz incorpora informações como: propriedades do material, condições de carregamentos e restrições do SSCs além da própria geometria. A Figura 9 ilustra a representação esquemática de uma malha.

14 Figura 9 - Representação esquemática de uma malha Fonte: Puff (Adaptada, 2008) A Figura 10 ilustra a comparação entre um modelo produzido em um programa CAD e sua respectiva malha de elementos finitos. Figura 10 - Comparação entre modelo CAD e malha de elementos elementos finitos Fonte: ANSYS (Adaptada, 2007)

15 Para a resolução das análises estruturais há dois métodos distintos e que estão relacionados à forma de movimentação dos SSCs, o método implícito, usado para resolver simulações pertencentes ao domínio da estática, ou seja, que a velocidade dos corpos é igual a zero, e o método explícito, usados em soluções pertencentes ao domínio da dinâmica, com velocidades diferentes de zero. Ainda há as condições de carregamentos quase-estáticos como processo de estampagem, nesses casos é possível utilizar ambos os métodos para a solução do problema. A Figura 11 ilustra estes dois métodos. Figura 11 - Comparação entre método implícito e método explícito Fonte: ANSYS (Adaptada, 2003) As resoluções de problemas pelo método implícito envolvem todas as análises estáticas, como cálculo de treliças, flambagem e demais corpos rígidos sujeitos a condições onde o somatório de forças é igual a zero. A Figura 12 ilustra uma destas aplicações,

16 utilizando um programa para o dimensionamento de uma polia e um eixo de uma bomba hidráulica. Figura 12 - Exemplo de aplicação do método implícito Fonte: ANSYS (2005) O método explícito é usado em casos onde o somatório das forças é diferente de zero, ou seja, há uma aceleração relativa entre os SSCs. Este método é utilizado para a solução de problemas que envolvem principalmente impacto de corpos e outras simulações onde há uma grande energia cinética atuando. A Figura 13 ilustra uma destas aplicações, a simulação do crash test de um veículo.

17 Figura 13 - Exemplo de aplicação do método explicito Fonte: ANSYS (2003) 1.3. O Uso de Sistemas CAE no PDP Como pôde ser visto na Figura 5 os sistemas CAE podem ser usados em mais de uma fase durante o desenvolvimento de um produto. Esta característica é um reflexo da grande flexibilidade destes sistemas e das inúmeras variáveis que ainda estão para serem solucionadas durante as fases inicias do PDP. Este tópico trará algumas possibilidades de uso dos sistemas CAE durante algumas das fases do PDP tendo em vista quais são as atividades inerentes a ela, sem ter a pretensão de limitar o seu uso dos programas em outras fases ou tarefas Uso de Sistemas CAE na Fase de Projeto Conceitual O uso das ferramentas CAE na fase de projeto conceitual ainda não é uma prática muito difundida, dado aos custos que envolvem os programas de simulação e a insipiência das informações nesta fase do PDP, normalmente as empresas julgam que os programas

18 não podem agregar valor nesta fase ou que os custos dos recursos não compensam este investimento. Com a tendência de queda dos programas de simulação e a simplificação da interface com os usuários (Forcellini, 2008), os sistemas CAE tendem se tornarem mais aplicados durante esta fase do PDP. A Figura 14 destaca a atividade de analisar SSCs, onde o uso das ferramentas CAE pode trazer mais benefícios nesta fase. Figura 14 - Atividade onde os sistemas CAE podem atuar durante a fase de projeto conceitual Fonte: O autor A principal aplicação durante esta atividade seria a utilização das simulações para identificar e analisar aspectos críticos do produto e para definir as dimensões principais do SSCs principalmente em casos de produtos complexos e que seja difícil a obtenção de um valor para as variáveis descritas anteriormente através dos métodos analíticos usuais.

19 O Uso de Sistemas CAE na Fase de Projeto Detalhado. A fase de projeto detalhado é a fase onde historicamente há um maior aproveitamento dos sistemas CAE. Por já haver um amadurecimento maior do projeto e por haver a definição final da geometria do produto, os recursos de simulação costumam ser centralizados nesta fase. É nesta fase também que aparecem o maior número de atividades que podem ser auxiliadas pelo o uso dos sistemas CAE, como mostra a Figura 15. Figura 15 - Atividades onde os sistemas CAE podem atuar durante a fase de projeto detalhado Fonte: O autor A atividade de criar e detalhar SSCs é a primeira desta fase que pode ser beneficiada com o uso dos sistemas CAE. É nela que estão contidas todas as tarefas de calcular e desenhar os SSCs do produto, portanto, o uso do programa se daria da forma mais

20 convencional possível, utilizando ele como ferramenta para obtenção das variáveis de interesse para que o produto possa ser dimensionado de forma mais adequada o possível. Na atividade de avaliar os SSCs os programas CAE podem ser utilizados como apoio para o uso das diversas ferramentas de apoio desta tarefa. O estudo do FMEA pode ser realizado com base em resultados obtidos em simulações e não somente na experiência dos profissionais. O Método Taguchi pode utilizar as simulações para verificar a robustez do produto sujeito as variações definidas pelo o projeto. Os programas CAE também podem ser utilizados reduzir drasticamente o número protótipos construídos durante esta fase do projeto, uma vez que boa parte dos ensaios realizados com os protótipos podem ser substituídos por simulações com uma razoável precisão. O DOE surge nesta atividade como um grande beneficiário dos sistemas CAE. O número de protótipos utilizados para a execução desta ferramenta é normalmente alto o que por vezes inviabiliza a sua aplicação. O uso de simulações para a substituição destes protótipos reduziria substancialmente o custo da sua utilização e os resultados obtidos normalmente são bastante úteis para a definição de uma geometria final para os SSCs do produto. A atividade de otimizar produto e processo pode usar o recurso da simulação para verificação de tolerâncias e para auxiliar outras tarefas inerentes desta atividade como estudar o comportamento do produto durante a sua montagem. As atividades de projetar embalagem e projetar recurso de fabricação utilizam os sistemas CAE de forma similar uma vez que ambas as atividades passarão por um ciclo similar ao do PDP. Assim, em suas respectivas fases de projeto conceitual, detalhado e preparação para a produção do produto pode-se utilizar a simulação para a obtenção de um produto melhor O Uso de Sistemas CAE na Fase de Preparação para a Produção Conforme já foi ilustrado no decorrer deste trabalho, os sistemas CAE podem ser utilizados para a simulação de alguns processos de fabricação como o de forjamento e demais formas de conformação mecânica, e para simulação de processos de injeção de

21 plásticos ou de fundição. É exatamente atuando na atividade de desenvolvimento do processo de produção que há a maior demanda destes programas, conforme é ilustrado pela Figura 16. Figura 16 - Atividade onde os sistemas CAE podem atuar durante a fase de preparação da produção Fonte: O autor

22 2. REFERÊNCIAS ANSYS. Chapter 01: Introduction. Explicit Dynamics with ANSYS LS-DYNA. 04. jun ANSYS. Chapter 02: Simulation Basic. Workbench Simulation Introduction. 08. mar ANSYS. Chapter 04: Static Structural Analyses. Workbench Simulation Introduction. 26. ago Control Vision. Vision Guided Keg Depalletizing at Canterbury Breweries. ControlVIsion Case Studies and Success Stories in Machine Vision. Disponível em: < Acesso em 24. jun FORCELLINI, Fernando Antonio. Processo de Desenvolvimento de Produto. Apresentação de Slides HANNA, Keith. Sporting Swifter, Higher and Stronger Performances with Engineering Simulation. Advantage. Ano 1, n. 1, p. s2-s3, 1º semestre PAHL, Gerhard; BEITZ, Wolfgang; FELDHUSEN, Jörg; GROTE, Karl-Heinrich. Projeto na Engenharia: Fundamentos do Desenvolvimento Eficaz de Produtos, Métodos e Aplicações. 6. ed. São Paulo: Edgard Blücher, PUFF, Rinaldo. Método dos Elementos Finitos na Engenharia Mecânica. Apresentação de Slides ROZENFELD, Henrique; FORCELLINI, Fernando Antônio; AMARAL, Daniel Capaldo; TOLEDO, José Carlos; SILVA, Sergio Luis da; ALLIPRANDINI, Dário Henrique; SCALICE, Régis Kovacs. Gestão de Desenvolvimento de Produtos: uma Referência para a Melhoria do Processo. 1. ed. São Paulo: Saraiva, 2006.

23 SIEMENS. Projeto de Todo o Ciclo de Vida do Produto. CAD: NX: Produtos e Soluções: Product Lifecycle Management (PLM): Siemens PLM Software. Disponível em < Acesso em 24. jun SKA. Catálogo Edgecam Usinagem de Produção. Software CAD, CAE, CAM, PDM para Automação de Engenharias SKA. Disponível em: < Acesso em 24. jun SOUZA, Adriano Fagali de. A Importância de um Sistema CAD para Integração da Cadeia Produtiva. Mecatrônica Fácil. n. 24, p. 6-10, ago/set