Metodologia para seleção de materiais baseada no QFD

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1 Metodologia para seleção de materiais baseada no QFD Gabriel Casagrande Brascher 1 (gcbrascher@hotmail.com); Régis Kovacs Scalice 2 (rkscalice@joinville.udesc.br); Daniela Becker ³ (dep2db@joinville.udesc.br) 1 Laboratório de Desenvolvimento de Produtos/Núcleo de Pesquisa em Engenharia de Produção e Sistemas, Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC, SC BRASIL 2 Laboratório de Desenvolvimento de Produtos/Núcleo de Pesquisa em Engenharia de Produção e Sistemas, Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC, SC BRASIL ³Laboratório de Desenvolvimento de Produtos/Núcleo de Pesquisa em Engenharia de Produção e Sistemas, Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC, SC BRASIL Resumo Seleção de materiais no desenvolvimento de produtos é uma tarefa importante. A escolha errônea de um material pode levar a um aumento de custo no produto e/ou problemas de falha no campo. Portanto, durante o desenvolvimento de um determinado produto é necessário selecionar um material apropriado frente a diferentes requisitos do produto e propriedades dos materiais. Neste artigo é proposta uma metodologia para seleção de materiais baseada nos princípios do Desdobramento da Função Qualidade (QFD), relacionando requisitos de projetos para componentes com as propriedades dos materiais e, na seqüência, estas propriedades com uma lista de diversos materiais. Um exemplo será utilizado para demonstrar e validar a eficácia e simplicidade do método proposto. Os resultados obtidos pelo método proposto demonstram boa concordância com outros métodos encontrados na literatura, bem como evidenciam a facilidade de aplicação do método. Palavras-chave: seleção de materiais; Desdobramento da Função Qualidade (QFD); requisitos de projeto; propriedades dos materiais 1 Introdução A necessidade de selecionar materiais é uma prática realizada quase que diariamente pelas empresas que desenvolvem ou aprimoram seus produtos. É estimado que haja mais de tipos de materiais no mundo incluindo vários tipos de ligas metálicas e não-metálicas (Chatterjee, et al, 2011). Com este grande número de materiais disponíveis, necessidades específicas para cada projeto fazem do processo de seleção de materiais um desafio. A seleção do melhor material envolve um grande número de fatores, como os requisitos funcionais do produto, as propriedades dos materiais que especificam estes requisitos, o custo e o processo de fabricação (Ljungberg, et al, 2003; Deng, 2007). A escolha do material errado freqüentemente envolve alto custo e pode levar a falha do produto, logo os projetistas precisam identificar e selecionar o material adequado para cada produto para se ter o menor custo com desempenho específico para cada aplicação. Talvez o primeiro passo no processo de seleção de materiais é especificar os requisitos de desempenho do componente, relacionar com as principais características dos materiais e requisitos de processamento. Conseqüentemente, alguns materiais podem ser eliminados e outros escolhidos como prováveis candidatos. As propriedades relevantes dos materiais são identificadas e classificadas em ordem de importância. Técnicas de otimização podem ser utilizadas para selecionar o melhor material (Dehgnan-Manshadi, et al, 2007). Como será discutido a seguir, grande parte dos métodos hoje disponíveis na literatura utilizam de um ferramental matemático muito complexo e pouco intuitivo, obrigando ao projetista a um treinamento mais aprofundado. Neste contexto, este trabalho tem por objetivo a proposição de um método mais intuitivo ao projetista para seleção de materiais e cuja aplicação seja igualmente confiável aos métodos já conhecidos. Para tanto foram objetivos específicos deste trabalho a elaboração da proposta do método, sua implementação na forma de uma ferramenta de projeto e avaliação do método proposto. 1

2 2 Referencial teórico São encontrados vários métodos para sistematizar a seleção de materiais. Um dos primeiros métodos apresentados na literatura é o de Ashby (1989, 1992, 1996). Ele introduziu cartas de seleção de materiais, que são representadas por gráficos que relacionam duas propriedades especificas dos materiais e cada classe de materiais está agrupada em conjuntos dentro de sua escala. Em essência o método, relaciona às limitações primárias, consideradas aquelas impostas pelo projeto e a partir desta lista de materiais já limitada é aplicada uma limitação secundária, chamada de índice de mérito que é a combinação das propriedades no qual maximiza o desempenho. Vários outros métodos foram propostos por outros pesquisadores, ao longo do tempo, para resolver o problema da seleção de materiais. Uma alternativa é o método de propriedades ponderadas (WPM) que é usado quando várias propriedades devem ser consideradas. Este método numérico ordena os materiais com base em seus índices de desempenho, calculados utilizando uma matemática simples (Farag, 1997). Conforme o número de alternativas aumenta, a quantidade de calculo aumenta rapidamente e os procedimentos computacionais ficam mais elaborados. Dehghan-Manshadi et al. (2007) propôs uma modificação no método de propriedades ponderadas, através da combinação de uma abordagem de não-linear para ordenar as propriedades com método lógico-digital modificado, segundo os autores, este método apresenta uma seleção mais razoável do método de WPM. Além disso, Rao (2006) apresentou uma nova metodologia usando uma abordagem gráfica e matricial. Alguns autores utilizaram a lógica Fuzzy para desenvolver metodologias de seleção de materiais. Chen (1997) usou o ambiente Fuzzy, onde foram determinados pesos de importância para diferentes critérios e diferentes critérios foram avaliados em termos lingüísticos usando números Fuzzy. A maioria dos métodos propostos na literatura funciona bem para propriedades quantitativas, Khabbaz et al (2009) propuseram um método baseado na lógica Fuzzy simplificada como sendo uma ferramenta para selecionar materiais quando propriedades com medidas qualitativas também são consideradas, e além disso, segundo os autores, com este método a matemática envolvida em relação aos métodos tradicionais é reduzida. Muitos autores utilizam adaptações do método de tomada de decisão multi-critérios (MCDM) para seleção de materiais. Chatterjee e colaboradores (2009) propuseram resolver o problema de seleção de materiais usando duas aproximações do MCDM. A primeira aproximação é VIse Kriterijumska Optimizacija Krompromisno Resenje (VIKOR) um método de classificação de compromisso e o outro Elimination and Et Choice Translating Reality (ELECTRE), um método de sobre-escala. Estes dois métodos foram utilizados para ordenar os materiais, no qual vários requisitos foram considerados simultaneamente. Estes métodos se mostraram efetivos para escolha de materiais. Outra metodologia baseada no método de multi-critérios de tomada de decisão (MCDM) foi apresentada por Jahan e colaboradores (2010), sendo esta adaptação mais simples que outras baseadas no mesmo método e inclui as propriedades qualitativas na seleção dos materiais para um determinado produto. Em outro trabalho Chatterjee et al (2011) apresenta outros dois métodos baseados no MCDM, avaliação proporcional complexa (COPRAS) e avaliação de dados mistos (EVAMIX), estes dois métodos são utilizados para classificar um conjunto de materiais, no qual vários requisitos são considerados simultaneamente, sendo que também se mostraram eficientes para problemas de seleção de materiais envolvendo um grande número de requisitos qualitativos e quantitativos com várias alternativas de materiais. Rao e Patel (2010) sugerem um método baseado em MCDM considerando pesos de importância objetivos dos atributos do projeto bem como as preferências subjetivas de tomadas de decisão para decidir a importância de cada requisito de projeto, além de utilizar a lógica Fuzzy para converter os atributos qualitativos em atributos quantitativos. Segundo os autores, esta metodologia é lógica e mais simples comparada com os demais métodos baseados no MCDM. Apesar de uma boa quantidade de trabalhos de proposta de metodologia para seleção de materiais já foram apresentadas na literatura, ainda há a necessidade de um método simples e mais intuitivo para ajudar na tomada de decisão do melhor material para um determinado produto. Neste sentido, é proposto neste trabalho um procedimento para seleção de materiais calcado nos princípios do Desdobramento da Função Qualidade (QFD), um método amplamente conhecido e utilizado na área de desenvolvimento de produto, o que torna sua utilização mais fácil, eliminado longos tempos de aprendizado de novos métodos. 2

3 3 Desenvolvimento e estrutura do método proposto Segundo Cheng e Melo Filho (2007) o QFD é uma forma de comunicar sistematicamente informação relacionada com a qualidade e de explicitar ordenadamente trabalho relacionado com a obtenção da qualidade (...). Para os autores, o processo de desdobramento da qualidade pode ser realizado em diferentes unidades operacionais, sendo elas listadas a seguir segundo seu nível de complexidade: Tabela, a unidade operacional mais simples, utilizada para se conhecer melhor o problema. Pode ser realizada através de um diagrama de árvore. Matriz, a qual correlaciona duas tabelas. A Casa da qualidade é um exemplo de matriz, a qual correlaciona os requisitos dos clientes com os requisitos de qualidade de um determinado produto, serviço ou processo. Modelo Conceitual, que é um mapeamento de como os desdobramentos devem ocorrer entre matrizes para realizar o preenchimento das tabelas. Padrões, que correspondem ao desdobramento das informações geradas para comunicação com as diferentes áreas de uma organização. Neste trabalho é apresentada uma ferramenta de projeto para seleção de materiais no projeto de produtos a qual foi desenvolvida com base nos princípios do QFD. O modelo conceitual proposto, ilustrado na Figura 1, divide o procedimento em duas partes: (1) Matriz de Avaliação e (2) Matriz de Seleção. Para fins de avaliação do método proposto, ambas as matrizes foram construídas em uma planilha eletrônica. Figura 1 - Modelo Conceitual do Seletor de Materiais Proposto. A matriz de avaliação tem por objetivo traduzir os requisitos técnicos de peças em propriedades típicas dos materiais, tais como resistência a tração, densidade, condutividade térmica, resistência ao Impacto, coeficiente de dilatação térmica e potencial eletroquímico. O método proposto trabalha com requisitos técnicos padronizados, os quais foram estabelecidos através de um levantamento entre os profissionais dos setores de projetos e de materiais em uma grande empresa de produtos da linha branca localizada na Região Sul do país. A escolha do setor de linha branca não foi casual, sendo este o enfoque inicial a ser dado para o seletor de materiais proposto. Os requisitos técnicos da peça devem ser ponderados, sendo utilizado para tanto uma escala de 0 a 5, aqui denominado de Peso do Requisito, onde: 5 o requisito da peça é muito importante para o projeto; 4 o requisito da peça é importante para o projeto; 3 o requisito da peça é medianamente importante para o projeto; 2 o requisito da peça tem importância fraca para o projeto; 1 o requisito da peça tem importância muito fraca para o projeto; 0 o requisito não importa para o projeto. 3

4 RT: REQUISITOS TÉCNICOS PESO ( 0 a 5 ) Direcionador de melhoria Além dos pesos da importância dos requisitos, também devem ser atribuídas à peça em análise os direcionadores de melhoria, ou seja, se os requisitos técnicos das peças devem ser maximizados (por exemplo, deve resistir a riscos = maior melhor) ou minimizados ( deve resistir a riscos = menor melhor). Estes dois elementos, o peso do requisito e o direcionador de melhoria, são os dois únicos elementos passíveis de modificação pelo projetista, sendo todas demais informações da Matriz Avaliação padronizados. Os requisitos técnicos propostos, bem como a forma de inserção dos índices de priorização são ilustrados na Figura 2. Uma vez preenchida a planilha com os pesos e os direcionadores de melhoria para os requisitos técnicos da peça, a planilha calcula automaticamente a importância relativa de cada propriedade de material, e estabelece a classificação entre elas. Este cálculo é feito através da soma ponderada dos pesos e direcionadores, multiplicados pelas correlações entre os requisitos técnicos e as propriedades de materiais. Estas correlações também são padronizadas, tendo sido estabelecidas através de outro levantamento, agora envolvendo pesquisadores da área de materiais de diferentes centros de pesquisa e profissionais da área de materiais da empresa de linha branca. Uma vez de posse da importância relativa das propriedades, tem-se início o emprego da Matriz Seleção, a qual correlaciona os materiais com suas propriedades. Para permitir a comparação entre as diferentes propriedades, foi adotado como critério de normalização o uso de equações de retas, onde no caso de propriedades onde o maior melhor é desejável, o zero é o menor valor da lista, e o maior valor da lista é o 1, sendo os demais valores distribuídos proporcionalmente. O contrário é válido para quando o critério é o menor melhor, onde 0 e 1 correspondem, respectivamente, ao maior e ao menor valor da lista. O resultado final é calculado através da soma ponderada, para cada material, da importância relativa das propriedades com os valores normalizados das mesmas para o referido material. Prover estabilidade dimensional 1 1 Deve Suportar Vibrações 1-1 Prover rigidez 1 1 Suportar às cargas submetidas 1-1 Deve resisitir a riscos 1-1 Deve ter resistência aos detergentes/solventes 1 1 Peso 1 1 Prover Flexibilidade 1 1 Garantir a manutenção das propriedades 1-1 Deve ter atrito 1 1 Suportar desgaste 1 1 Permitir condução elétrica 1 1 Deve Suportar Choques Mecânicos 1-1 Deve Suportar Montagem 1 1 Deve possuir resistência à Corrosão 1-1 Deve Suportar Temperaturas 1-1 Permitir aderência 1 1 Permitir condução de calor 1 1 Figura 2 - Requisitos técnicos e estrutura de inserção de dados para sua priorização. Esta matriz, além da priorização dos materiais, também permite a escolha primária, ou seja, a definição prévia dos tipos de materiais a serem utilizados (polímeros, metais, cerâmicas, etc.). Tal recurso foi implementado através de filtros, os quais também permitem limitar o campo de escolhas de determinadas propriedades (por exemplo, resistência à tração superior a 50 MPa). A estrutura da matriz e de seus filtros é apresentada na Figura 3. 4

5 TIPOS DE MATERIAIS Resistência a tração Resistência à compressão Resistência à flexão Densidade Condutividade Térmica Módulo de Elasticidade Tensão de Escoamento Resistência ao Impacto Coeficiente de Dilatação térm Resistividade Elétrica Tensão Superficial Resistência a abrasão Temperatura máxima de Uso Resistência a fadiga Dureza Resistência Química Potencial eletroquímico Coeficiente de Fricção UNIDADES >>> PROP: PROPRIEDADES DE MATERIAIS Materiais Figura 3 - Estrutura da Matriz Seleção. É importante destacar que, a aplicação do método proposto também é possível no caso de projeto de conjuntos ou módulos com o objetivo de serem fabricados com o mesmo material. 4 Verificação do método de seleção Para demonstrar e validar o método de seleção de materiais proposto, um exemplo bem conhecido na literatura será utilizado, sendo os resultados obtidos comparados com os resultantes de outros métodos. Dehgnan-Manshadi et al (2007) propuseram um método numérico para seleção de materiais combinando normalização não-linear com um método lógico digital modificado e utilizou um tanque de estocagem para transporte de nitrogênio líquido como exemplo. Neste trabalho, as alternativas de materiais e os atributos serão considerados os mesmos utilizados pelos autores. Dehgnan-Manshadi et al (2007) consideram seis propriedades: tenacidade, tensão de escoamento, módulo de Young, densidade, coeficiente de expansão térmica e condutividade térmica. As propriedades dos materiais candidatos são apresentadas na Tabela 1. O primeiro passo do método proposto neste trabalho é a definição dos pesos dos requisitos de projeto para preenchimento da Matriz Avaliação. Os requisitos materiais para tanque de estocagem para transporte de nitrogênio líquido citados pelos autores são: baixa densidade, baixos coeficiente de expansão térmica e condutividade térmica, e adequada tenacidade para trabalhar em baixas temperaturas, além de ser rígido e resistente. A Tabela 2 apresenta a relação dos requisitos de materiais citados pelos autores e os requisitos funcionais do produto que serão utilizados neste trabalho. O próximo passo é a determinação dos pesos destes requisitos e sua correlação. Os pesos foram determinados com base na ordenação dos requisitos de materiais feitos por Dehghan-Manshadi (2007), que também são apresentados na Tabela 2. Assim que os pesos dos requisitos funcionais do produto são preenchidos na Matriz Avaliação, os materiais são classificados automaticamente na Matriz Seleção. Ambas as matrizes utilizadas no exemplo desta avaliação são apresentadas na Figura 4 e na Figura 5, respectivamente. Como pode ser observado na Figura 5 o melhor material para aplicação em tanques criogênicos é o SS301-FH, seguido por SS310-3AH, Inconel 718 e Ti-6Al-4V, resultado semelhante ao encontrado por Dehghan- Manshadi (2007) (Tabela 3). A Tabela 3 e Figura 6 apresentam os resultados da classificação dos materiais para o método proposto e para outros métodos da literatura. Observa-se que o melhor material, entre todos os métodos avaliados, é sempre o SS301-FH, sendo as piores opções sempre as ligas de alumínio (Al2024-T6, Al5052-O) e a liga de cobre (70Cu-30Zn). É possível notar, também, que existem pequenas diferenças nas ordens entre os métodos. Considerando os resultados obtidos é importante notar, que para este exemplo, o método baseado no QFD, apesar de toda sua simplicidade e facilidade de aplicação provou ser capaz de classificar os materiais candidatos em condições similares em comparação aos métodos existentes na literatura, os quais são muito mais complexos. 5

6 Densidade (g/cm 3 ) Condutividade Térmica (cal/cm 2 /cm/ C/s Módulo de Elasticidade (MPa) Tensão de Escoamento (MPa) Indice de Tenacidade Coeficiente de Dilatação térmica (10-6 / C) Tabela 1 Propriedades dos materiais candidatos para o tanque criogênico (Manshadi et al, 2007) Al2024-T6 2,80 0,370 74, ,5 21,4 Al5052-O 2,68 0, ,1 SS301-FH 7,90 0, ,9 SS310-3AH 7,90 0, ,4 Ti-6Al-4v 4,43 0, ,4 Inconel 718 8,51 0, ,5 70Cu-30Zn 8,53 0, ,9 Tabela 2 Relação requisitos funcionais do produto com os requisitos de materiais, seus pesos e correlação Requisitos funcionais do produto Requisitos de materiais Peso Correlação menor coeficiente de expansão térmica 2 1 Prover estabilidade dimensional Prover rigidez rígido 5 1 Suportar às cargas submetidas ser resistente 3 1 Peso baixa densidade 5-1 Garantir a manutenção das propriedades ser resistente em presença de temperatura 5 1 Deve Suportar Choques Mecânicos tenacidade 1 1 Deve Suportar Temperaturas menor coeficiente de expansão térmica 3 1 Permitir condução de calor menor condutividade térmica 5-1 6

7 MT: MATERIAIS Densidade Condutividade Térmica Módulo de Elasticidade Tensão de Escoamento Resistência ao Impacto Coeficiente de Dilatação térmica PONTUAÇÃO CLASSIFICAÇÃO RT: REQUISITOS TÉCNICOS PESO ( 0 a 5 ) CORRELAÇÃO ( + OU - ) Resistência a tração Resistência à compressão Resistência à flexão Densidade Condutividade Térmica Módulo de Elasticidade Tensão de Escoamento Resistência ao Impacto Coeficiente de Dilatação térmica Resistividade Elétrica Tensão Superficial Resistência a abrasão Temperatura máxima de Uso Resistência a fadiga Dureza Resistência Química Potencial eletroquímico Coeficiente de Fricção PROP: PROPRIEDADES DE MATERIAIS Prover estabilidade dimensional 2 1 Deve Suportar Vibrações 0-1 Prover rigidez 5 1 Suportar às cargas submetidas 3 1 Deve resisitir a riscos 0-1 Deve ter resistência aos detergentes/solventes 0 1 Peso 5-1 Prover Flexibilidade 0 1 Garantir a manutenção das propriedades 5 1 Deve ter atrito 0 1 Suportar desgaste 0 1 Permitir condução elétrica 0 1 Deve Suportar Choques Mecânicos 1 1 Deve Suportar Montagem 0 1 Deve possuir resistência à Corrosão 0-1 Deve Suportar Temperaturas 3 1 Permitir aderência 0 1 Permitir condução de calor 5-1 Correlação Classificação Figura 4 - Matriz de Avaliação para seleção do material do tanque criogênico. Al2024-T6 2,80 0,37 74,20 420,00 75,50 21,40 87,52 5 Al5052-O 2,68 0,33 70,00 91,00 95,00 22,10 64,18 7 SS301-FH 7,90 0,04 189, ,00 770,00 16,90 318,93 1 SS310-3AH 7,90 0,03 210, ,00 187,00 14,40 273,25 2 Ti-6Al-4v 4,43 0,02 112,00 875,00 179,00 9,40 183,54 4 Inconel 718 8,51 0,31 217, ,00 239,00 11,50 248, Cu-30Zn 8,53 0,29 112,00 200,00 273,00 19,90 84, Figura 5 - Matriz de Seleção do tanque criogênico. 7

8 Tabela 3 Classificação dos materiais do tanque criogênico para diversos métodos Seletor de materiais proposto Deghan- Manshadi, et al (2007) Rao & Patel (2010) WPM (Farag, 1997) Khabbaz et al (2009) COPRAS (Chatterjee et al, 2010) SS301-FH SS310-3AH Inconel Ti-6Al-4v Al2024-T Cu-30Zn Al5052-O EVAMIX (Chatterjee, et al, 2010) 5 Conclusão Figura 6 - Classificação dos materiais do tanque criogênico para diversos métodos. A proposição de um método de seleção de materiais calcado no QFD, por si só, traz uma maior facilidade de aplicação por parte de profissionais de desenvolvimento de produtos, devido ao amplo uso e conhecimento do método. Entretanto, tal facilidade fica ainda mais evidenciada pelo fato do método ser baseado em informações padronizadas, sendo os únicos elementos de interface com o usuário da ferramenta desenvolvida os pesos para os requisitos de projeto da peça, os direcionadores de melhoria da peça e, quando necessário, os filtros aplicados às propriedades dos materiais. Outro elemento importante objetivado pelo método é a confiabilidade do mesmo. Ainda nos estágios iniciais de seu desenvolvimento, o procedimento proposto já apresentou resultados compatíveis com o da literatura, demonstrando que o uso do conhecimento de especialistas na área é um caminho viável à seleção de materiais. Em sua estrutura atual a ferramenta proposta está voltada às necessidades de empresas da linha branca, uma vez que os requisitos de projeto da peça foram derivados desta área. Entretanto é objetivo de trabalhos futuros a ampliação deste escopo, abrangendo outros setores industriais, bem como ampliando a quantidade de materiais a serem incorporadas à ferramenta. Atualmente o método encontra-se em aplicação em uma indústria da região sul do país, visando sua validação no setor da linha branca de produtos. 8

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