22 º CONGRESSO NACIONAL DE TRANSPORTE AQUAVIÁRIO, CONSTRUÇÃO NAVAL E OFFSHORE - SOBENA 2008

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1 22 º CONGRESSO NACIONAL DE TRANSPORTE AQUAVIÁRIO, CONSTRUÇÃO NAVAL E OFFSHORE - SOBENA 2008 SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL 3D PARA ANÁLISE DE LINHAS DE PAINÉIS PLANOS Gabriel S. Moreira, gabrielsouza@peno.coppe.ufrj.br Helio A. R. Mello, heliohrm@peno.coppe.ufrj.br Marta C. T. Reyes, martatapia@ufrj.br Silvio E. G. Melo, silvio@peno.coppe.ufrj.br DENO/POLI/UFRJ INTRODUÇÃO É inegável o ganho de produtividade das linhas de produção de painéis planos em relação aos métodos mais tradicionais de fabricação, tanto em produtividade, quanto em qualidade do produto fabricado. Navios convencionais de médio e grande porte, possuem grande parte de sua estrutura formada por painéis planos, portanto toda forma de produzir estes painéis mais eficientemente e com menores custos, afetará fortemente o custo e o tempo total de fabricação de um ou mais navios em estaleiros. No entanto uma linha de painéis é um investimento que pode ser elevado, principalmente se for colocado na mesma um alto grau de automação. A análise de qual a melhor linha de painéis a ser adotada por um estaleiro, é algo complicado e ocupa muitas horas de trabalho dos setores de planejamento. Hoje em dia uma ferramenta que pode auxiliar muito neste trabalho são os softwares de simulação, principalmente os com recursos de visualização 3D. Com estes softwares, podese modelar a futura produção, estimar gargalos, melhorar processos e decidir qual o grau de automação necessário a cada caso. Neste trabalho, é apresentado um estudo de caso, utilizando dados uma linha de painéis planos com pouco grau de automatização. A modelação da linha e realizada através de um software considerado estado da arte na simulação de processos (Delmia Quest, Dassault Systèmes) Após calibrado o modelo com os dados do modelo original são simuladas possíveis modificações nos processos e é avaliado o grau de melhorias que tais mudanças poderiam apresentar na produtividade da linha. O PROGRAMA DE SIMULAÇÃO O programa permite simular um ambiente fabril digital em 3D e por meio desta simulação realizar uma análise de fluxo de processos. O programa utiliza uma série de objetos básicos com propriedades específicas que utilizadas em conjunto reproduzem situações reais. Desta forma dependendo do objeto utilizado é modelado um recebimento de peças ( pode-se colocar características como tipo e quantidades, taxa de chegada, limites máximos e mínimos etc), estoques intermediários, áreas de armazenamento. um processo (com o recebimento de uma ou mais peças, seu tempo de processamento e a saída como um ou mais produtos), este é o elemento mais poderoso, pois com ele podemos definir uma lógica de criação e seqüenciamento de peças e subprodutos através de programação,bem como usar, além de tempos determinísticos, uma série de funções estatísticas para caracterizar melhor o mundo real.. Como característica geral, todos estes elementos trabalham com um tempo, que pode ser determinístico ou estocástico. A LINHA DE PAINÉIS A linha a ser modelada tem um baixo grau de automatização o que tornou a elaboração de

2 um modelo de simulação computacional, uma tarefa bem simples. A linha modelada é uma linha típica de painéis sem automatização, ou seja, não possui pórticos com robôs de solda nem sistema de posicionamento dos perfis. A união das chapas é realizada por meio de solda unilateral com backing de cerâmica, a solda dos reforçadores na chapa por meio de solda com eletrodo revestido por gravidade e solda MIG, as estações consideradas são descritas a continuação. Estação 1- Posicionamento das chapas: As chapas são transferidas da área de preparação de chapas, através do pórtico, que as posiciona em uma seqüência lógica, de forma que as chapas, na próxima estação, possam receber solda de topo. Após serem posicionadas corretamente, são inseridos separadores e fixação entre as chapas com o uso de eletro-imã. O conjunto é então transferido a próxima estação, puxadas por um guincho que as desliza por um sistema de roletes. Na estação 2- é executada a colocação de backing de cerâmica e a solda de raiz com o processo MIG. Aqui se utilizam dois soldadores em cada bainha, soldando em direções opostas (do centro para a extremidade). Nesta mesma estação é feita a retirada dos backing s. Na estação 3- é feita a soldagem de cada bainha pelo processo de arco submerso, utilizando-se duas máquina para tanto. Nesta estação se realiza ainda o controle de qualidade (por ultra-som). Na estação 4- são feitas as marcações necessárias no painel, identificando as posições onde deverão ser montados os reforçadores primários e secundários. Na estação 5- é feito e realinhamento do painel (se necessário) e são posicionados e ponteados os perfis de cada painel (figura 3). Os perfis são previamente colocados num container ao lado da linha na quantidade e ordem de acordo com a necessidade do painel. Na estação 6- inicia-se a soldagem dos reforços, utilizado uma mistura de soldagem por gravidade e pelo processo de soldagem MIG. Nesta estação é feita o controle de qualidade do painel antes da liberação. MODELAÇÃO DA LINHA DE PAINÉIS Para realizar a modelação da linha foram utilizados dados tanto de tempos de execução das tarefas como de produção de uma linha existente, na tabela 1 são apresentados os valores de produção normalizados pela produção do mês de dezembro. Foi criada uma lógica de roteamento através de programação, usando uma linguagem própria, de modo a nos permitir inserir de forma fácil e organizada, os valores medidos em cada estação da linha de painéis. Dest forma era permitido mudar facilmente os tempos de cada estação para simular variantes do processo real. Tabela I Produção Mensal da Linha de Painéis Meses Produção (2007) Jan 0,04 Fev 0,13 Mar 0,21 Abr 0,30 Mai 0,39 Jun 0,47 Jul 0,56 Ago 0,65 Set 0,74 Out 0,83 Nov 0,91 Dez 1,00 Foram modeladas as seis estacoes da linha de paineis utilizando os objetos disponíveis no programa, na figura 1 é mostrado o layout da modelação. Figura1 Modelo da linha de painéis no Quest Para cada estação foram colhidos em campo os processos envolvidos e seus tempos de produção e retrabalhos Estas informações foram inseridas no modelo para representar o mais fielmente possível o caso real analisado. O tempo útil de trabalho no estaleiro analisado era de cerca de 6000 minutos por semana. Assim o modelo foi simulado para cada mês representando minutos de trabalho. Apesar de considerarmos no modelo os tempos de retrabalho, não foram considerados

3 para este estudo falhas e outros complicadores que acontecem no mundo real. Também se deve considerar que apesar de calcularmos o tempo útil trabalhado, o fato de um modelo rodar continuamente no tempo não é exatamente igual ao caso real onde existem diversas paradas de todos os tipos. No entanto, conseguimos encontrar um fator de correlação entre um modelo sem nenhuma consideração de incerteza e a produção real. Assim depois de devidamente calibrado, o modelo apresentou os resultados mostrados na tabela II. Tabela II Resultados do modelo comparados com a produção real Produção Real Simulação 0,65 0,65 Considerou-se que o modelo representava com razoável precisão a produção da linha de painéis no período analisado. MODIFICAÇÕES NA LINHA DE PAINÉIS Analisando o problema de forma intuitiva, seis situações foram consideradas para este estudo inicial. Situação 1 A estação 4 não tem tempo adicional para chanfrar as chapas que viriam para a linha nas dimensões e geometrias corretas da seção de pré-processamento de chapas. Situação 2 Aumentar o número de máquinas de solda de eletrodo revestido por gravidade de duas para quatro e de máquinas MIG de uma para duas na estação 6. Situação 3 Aumentar o número de montadores e ponteadores na estação 5 de modo que o tempo total da estação caísse à metade. Situação 4 Mudar o processo de soldagem nas estações 2 e 3, realizando a solda de raiz também com arco submerso, reduzindo o tempo de soldagem total de cada painel em 1 hora. Situação 5 Aumentar o número de máquinas de solda de eletrodo revestido por gravidade de duas para quatro e de máquinas MIG de uma para duas na estação 6 e Mudar o processo de soldagem nas estações 2 e 3, realizando a solda de raiz também com arco submerso, reduzindo o tempo de soldagem total de cada painel em 1 hora, ou seja de 6,5 horas para 5 horas. Situação 6 Utilizar todos os tempos originais medidos, mas supondo não existir retrabalho. Foram realizados os modelos de simulação para cada uma destas condições para a produção de um ano. ANÁLISE DOS RESULTADOS Para cada uma das simulações foram obtidos os resultados apresentados e comentados a continuação. - Situação 1 Na tabela III são apresentados os resultados obtidos na simulação considerando que a estação 4 não tem tempo adicional para chanfrar as chapas que viriam para a linha nas dimensões e geometrias corretas da seção de pré-processamento de chapas. Nota-se realmente um aumento pequeno na produção, porém só significativo após longo período (3,3% em um ano). Tabela IV Comparação entre o modelo original e a primeira simulação Produção Real Situação 1 0,56 0,58 0,65 0,67 0,74 0,76 0,83 0,85 0,91 0,94 1,00 1,03 - Situação 2 Na tabela IV são apresentados os resultados obtidos na simulação considerando um aumento no número de máquinas de solda de eletrodo revestido por gravidade de duas para quatro e de máquinas MIG de uma para duas na estação 6. Apesar de intuitivamente pensarmos que aumentar (em o dobro) o número de máquinas

4 de solda numa estação que tem o maior tempo relativo do processo, verificamos que este aumento sozinho em nada afeta o tempo total do processo devido a inter-relação entre as estações Tabela IV Comparação entre o modelo original e a segunda simulação Produção Real Situação 2 0,65 0,66 - Situação 3 Na tabela VI são apresentados os resultados obtidos na simulação considerando aumentar o número de montadores e ponteadores na estação 5 de modo que o tempo total da estação caísse à metade. De forma semelhante a situação anterior também esta mudança não alterou em nada o processo global. Tabela VI Comparação entre o modelo original e a terceira simulação Produção Real Situação 3 0,65 0,66 - Situação 4 Na tabela VII são apresentados os resultados obtidos na simulação considerando mudar o processo de soldagem nas estações 2 e 3, realizando a solda de raiz também com arco submerso, reduzindo o tempo de soldagem total de cada painel em 1 hora. O modelo comportou-se de forma idêntica à situação 1, indicando que apesar da uma melhora, existem outros fatores regendo o comportamento global da produção. Tabela VII Comparação entre o modelo original e a quarta simulação Produção Real Situação 4 0,56 0,58 0,65 0,67 0,74 0,76 0,83 0,85 0,91 0,94 1,00 1,03 - Situação 5 Na tabela VIII são apresentados os resultados obtidos na simulação considerando realizar a situação 2 e 4 juntas. Já que a situação 2 não produziu resultados, apesar de esperados e a situação 4 produziu resultados modestos, tentou-se então combinar as duas mudanças o que realmente surtiu efeito. A produção de uma ano sofre um acrescimo de 9,2% o que já é bem significativo. Tabela VIII Comparação entre o modelo original e a quinta simulação - Situação 6 Produção Real Situação 5 0,21 0,23 0,30 0,32 0,39 0,42 0,47 0,51 0,56 0,61 0,65 0,71 0,74 0,80 0,83 0,90 0,91 1,00 1,00 1,09 Figura 9 Gráfico da Situação 5

5 Na tabela IX são apresentados os resultados obtidos na simulação considerando utilizar todos os tempos originais medidos, mas supondo não existir retrabalho. Esta situação produziu um aumento em um ano de produção de cerca de 4,3%. Tabela IX Comparação entre o modelo original e a sexta simulação Produção Real Situação 6 0,56 0,59 0,65 0,68 0,74 0,77 0,83 0,86 0,91 0,96 1,00 1,04 CONCLUSÕES Foi apresentada uma ferramenta que pode ser utilizada no setor de planejamento de estaleiros, de forma fácil e eficiente na ajuda à programação da produção ou mesmo em análises financeiras. Foi realizado um estudo de caso específico, com um modelo bem simples e sem incorporar muitos recursos, mesmo assim pode ser extraída muitas informações sobre o processo. Modelos mais complexos em termos de recursos demandam muitas horas de esforço computacional. A avaliação das necessidades do grau de modelação deve ser analisada caso a caso. As situações propostas foram escolhidas em função de uma análise prévia do problema. Cada situação proposta visa tentar resolver um problema identificado, inúmeros casos poderiam ser testados. Esta é uma das vantagens de um modelo de simulação, analisar rapidamente situações possíveis e visualizar os efeitos práticos que as mesmas criariam. Alguns cuidados, no entanto devem ser tomados com a análise dos resultados. Por exemplo, para o caso estudado as situações 5 e 6 mostraram um significativo aumento de produção, mas será que o custo de implementação para que estas soluções sejam alcançadas justificam os resultados?. No entanto perguntas como estas podem ser facilmente respondidas com a utilização de modelos de simulação e acreditamos que num futuro breve, os mesmos serão tão comuns como é hoje uma planilha eletrônica. BIBLIOGRAFIA [1] Moreira, Gabriel, Avaliação de linhas de Panelização (modelo teórico e pratico), Projeto final de curso de graduação, 2007, PENO/UFRJ. [2] BANERJEE, P.; ZETU, D. Virtual manufacturing. New York: John Wiley & Sons, p. [3] PORTO, A. J.; PALMA, J. G. Manufatura Virtual. In: Fábrica do futuro: entenda hoje como sua indústria vai ser amanhã. Ed. Banas, cap. 10, p [4] DELMIA: Solutions of Shipbuilding: Disponível no site da Delmia no endereço: pbuilding.htm. [5] SHIN, J. G.; WOO, J. H.; SHIN, D. H.; LEE, J. H. An Object-Oriented Production Process Modeling and Simulation of Shipyard Fabrication Shop in a Virtual Environment. Proceedings of 2002 Ship Production Symposium, Boston. [6] SHIN, J. G.; LEE, K. K.; WOO, J. H. et al (2004). A Modeling and Simulation of Production Process in Subassembly Lines at a Shipyard. Journal of Ship Production, Vol. 20, No. 2, [7] RYAN, J.; HEAVEY, C. (2006). Process modeling for simulation, Computers in Industry 57, [8] PORTO, Arthur José Vieira; SOUZA, Mariella Consoni Florenzano; RAVELLI, Carlos Alberto et al. Manufatura Virtual: conceituação e desafios. Gestão &. Produção, 2002, vol. 9, no. 3, pp