Sessões de Indústria Manufatura e Design de Produto Carlos Umberto Burato PMEC Sistemas Alan Garcia Santos PMEC Sistemas

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1 Sessões de Indústria Manufatura e Design de Produto Carlos Umberto Burato PMEC Sistemas Alan Garcia Santos PMEC Sistemas Manufatura e Design de Produto Objetivo de aprendizado Ao final desta palestra você terá condições de: Aprender sobre importância dos sistemas CAD para os projetos. Entender sobre parametrização de equipamentos. Entender sobre a aplicação de metodologia Top-down. Aprender sobre o uso do conceito de projetar por esqueleto. Entender sobre planejamento para aplicação da metodologia Top--down Aprender sobre construção de modelos 3D aplicados a modelagem Top-down Ter uma visão geral do fluxo de trabalho da modelagem Top-down Carlos Umberto Burato carlos.burato@pmecsistemas.com.br Graduou na Faculdade de Engenharia Industrial (FEI) e obteve seu título de doutor na Universidade de São Paulo (USP), em engenharia mecânica. Trabalhou por 22 anos em projetos de desenvolvimento nas áreas de energia, mineração, movimentação de materiais, petroquímica e siderurgia em empresas líderes em seus mercados de atuação. Desde 2006 presta consultoria pela empresa PMEC Sistemas Serviços de Inovação Tecnológica em aplicação de métodos sintetizados usando os sistemas CAD no projeto para otimizar os processos de manufatura. Alan Garcia Santos alan.santos@pmecsistemas.com.br Graduou e obteve seu título de mestrado na Universidade de São Paulo, em engenharia mecânica. Trabalhou alguns anos no desenvolvimento de dispositivos optomecânicos para sistemas aeroespaciais, atuando nas áreas de arquitetura mecânica e análises estruturais de câmeras de satélites para observação terrestre. Desde 2010 presta consultoria pela PMEC Sistemas Serviços de Inovação Tecnológica em análise estrutural de equipamentos mecânicos e desenvolvimento e implantação de parametrização de projetos empregando sistemas CAD.

2 1. Sistemas CAD e projetos Qualquer projeto é um processo de soluções criativas para a resolução de problemas. O projeto e o conhecimento tem uma associação muito intensa: o uso do banco de dados e a aplicação do conhecimento podem ser consideradas como um processo de projeto direto e ao mesmo tempo prático (PERKINS, 1986; FOLEY et al. 1990; MCMAHON & BROWNE, 1998). Estima-se que os engenheiros e projetistas gastam aproximadamente 60% do seu tempo pela procura de informações a serem usadas (YE et al., 2008). Este processo é avaliado pelo coordenador como o aspecto mais frustrante das atividades de um projeto (IYER et al., 2003). Da mesma forma uma estimativa conservadora mostra que mais de 75% das atividades da engenharia para fazer um projeto compreende em reusar as informações contidas em projetos precedentes para resolver um problema novo (IYER et al., 2003). Entretanto, o não reuso frequente das informações precedentes conduz a um tempo gasto significativo na elaboração de um projeto e a perdas importantes. Portanto, reusar informações associadas ao conhecimento e otimizar esse uso em sistemas CAD são a chave para reduzir custos na elaboração de um projeto. Devido à importância do uso dessas novas ferramentas de projeto em sistemas CAD, mais e mais projetos que são elaborados em 3D são mantidos em banco de dados, com o objetivo de reusar de maneira eficaz as informações de projetos precedentes, que permitem buscar soluções adequadas a novos problemas encontrados, ou simplesmente reusar as informações quando os projetos são similares (FUNKHOUSER et al., 2003; TANGELDER & VELTKAMP, 2004). Devido aos desafios intensos do mercado, as metodologias avançadas de projeto estão sendo procuradas intensamente para reduzir o tempo exigido para a aquisição do conhecimento nas atividades que são envolvidas. A crescente demanda da indústria nacional e a nacionalização dos equipamentos exigem que o mercado brasileiro se adapte rapidamente na elaboração de projetos cada vez mais com custos reduzidos, com prazos reduzidos e com incremento na qualidade de informações. Os novos sistemas CAD permitem essa redução de tempo e custo na execução de um projeto e geram informações cada vez mais exatas com o objetivo de otimizar a aquisição de componentes e o processo de manufatura do equipamento que está sendo projetado. 2. Parametrização de Equipamentos O grau de parametrização de qualquer equipamento depende diretamente do quanto existe de padronização nos setores de engenharia e fabricação da empresa. A Figura 1 mostra um exemplo de elementos importantes de padronização antes de iniciar a parametrização. 2

3 Figura 1 - Parametrização Pode-se observar na Figura 1 que para o projeto de parametrização a padronização deve ser realizada nos seguintes itens: a) Cálculo: nesse item os dados de saída devem seguir uma ordem adequada para inserção na planilha que fará a interface com o Autodesk Inventor. b) Materiais: é importante ter-se uma faixa de materiais mais usados com o respectivo código usado no ERP da empresa, para que na lista de materiais gerada no desenho esse item já esteja devidamente codificado para inserção no ERP. c) Solda: é fundamental a definição das variáveis de solda com relação ao tamanho do equipamento, espessura de chapas e outros itens que caracterizam o processo de soldagem para definição dos chanfros adequados e soldas a serem inseridos nos desenhos. d) Desenhos: a padronização dos desenhos é referida a norma e a maneira de apresentar determinado projeto, porque quando existe essa padronização, os desenhos 2D que estão conectados com o 3D podem ser facilmente atualizados quando do uso da parametrização. e) Listas: deve-se padronizar o formato de apresentação das listas e conteúdo para que se tenha uma interface entre o Autodesk Inventor e as listas geradas no CAD e através de planilhas realizadas com o máximo de confiabilidade, pois essas listas são enviadas ao setor de suprimentos e fabricação. As principais saídas da parametrização são mostradas na Figura 1, sendo: listas para orçamento, listas de materiais para aquisição, desenhos de fabricação e envio para aprovação do cliente, fichas de corte para preparação do setor de caldeiraria e peças com sobremetal e dimensões acabadas para preparação de usinagem (CNC), mapas de solda para introdução do processo e simbologia e relatórios de inspeção para inserção das dimensões reais após fabricação de determinado equipamento. 3

4 Os requisitos para garantir o sucesso da parametrização, são: O modelo deve consumir o mínimo possível de recursos computacionais para ser robusto, estável e confiável. O fluxo de informações deve ocorrer de maneira simples e intuitiva para que o usuário obtenha o melhor desempenho do sistema. As informações de projeto e bancos de dados devem estar concentrados, organizados e serem acessíveis para alterações por usuários não especialistas em programação, para que alterações em metodologias de projeto, normas e fornecedores sejam rapidamente atualizadas no sistema 3. Metodologia Top-down Esta forma de trabalho difere da tradicional por priorizar o equipamento completo, ou seja, o trabalho de geração de sólidos inicia-se somente após a definição completa do equipamento em um único arquivo denominado esqueleto. A modelagem Top-down traz uma série de vantagens: A manipulação de parâmetros fica concentrada somente no arquivo esqueleto; As posições das peças ficam definidas no esqueleto; Não é necessário o uso de constraints no ambiente de montagem; Os arquivos ficam mais leves tornando o processamento computacional muito mais rápido. Porém o uso deste conceito implica em grande conhecimento dos recursos do software CAD e capacidade de planejamento por parte de quem executa. O esqueleto é alimentado por parâmetros previamente definidos em uma planilha do Microsoft Excel em que está vinculada. Todas as peças são criadas no ambiente assembly e são vinculadas ao esqueleto. Fazendo uma analogia a um sistema de engrenagens, os parâmetros movem o esqueleto que por sua vez move o modelo 3D, conforme mostrado na Figura 2. Dessa forma, o correto funcionamento do modelo 3D paramétrico depende da boa definição dos parâmetros na planilha do Microsoft Excel e de um esqueleto bem executado. 4

5 Figura 2 Modelagem paramétrica Top-down 4. Projetar por esqueleto O projeto por esqueleto pode ser definido como: arquivos gerados em ambiente de modelagem 3D contendo perfis 2D, planos, eixos, parâmetros e features sólidas que representa um arranjo de montagem. Empregando o recurso de derivação é possível a herança das características geométricas e parâmetros do arquivo esqueleto para os modelos sólidos das peças. Esta ligação é ativa, de maneira que, quando o esqueleto é alterado essas mudanças são propagadas para as peças derivadas. Este método é adequado para geração de estruturas. A Figura 3 mostra um exemplo de arquivo esqueleto. As principais características do esqueleto, são: Criados no ambiente part; Contém toda a geometria básica necessária para construção das peças de uma montagem; Pode ser criado em mais de um arquivo dependendo da conveniência; Os perfis, planos, eixos e pontos devem ter todos os graus de liberdade fixos; Os parâmetros internos devem ser nomeados de forma sistemática e coerente para facilitar os trabalhos posteriores. 5

6 Figura 3 Arquivo esqueleto Como relatado anteriormente, todas as cotas são conectadas a uma planilha como dados de entrada ou como inseridas em equações para gerar determinada medida conforme a padronização realizada antes de iniciar o processo de parametrização. A Figura 4 mostra o sólido gerado no ambiente assembly a partir do esqueleto. Figura 4 Modelo 3D gerado a partir do esqueleto 6

7 5. Planejamento para aplicação da metodologia Top-down Parametrização com Abordagem Top-Down e Uso de Primeiramente deve-se definir o escopo de trabalho com o objetivo de detalhar toda a gama de variações dos elementos do equipamento a ser parametrizado para abranger todas as configurações da família (recomendado 75% a 90% de todo o histórico de fornecimento). O planejamento é a etapa mais importante na Modelagem Top-down e requer conhecimento do equipamento a ser modelado e domínio das ferramentas empregadas (Autodesk Inventor ). O equipamento deve ser analisado de maneira se consiga, de acordo com os requisitos, responder às seguintes perguntas: 1) Quantas peças devem ser modeladas para cobrir todas as possibilidades definidas nos requisitos? 2) Será necessária a inclusão de submontagens? 3) Como as peças sólidas serão modeladas? 4) Quais dessas peças possuem dimensões padronizadas? 5) É necessário o uso de algum trabalho como execução de furos, cortes, arredondamentos ou chanfros em alguma peça em ambiente de montagem? 6) Há a necessidade de comutação de alguma peça, conjunto ou propriedade? 7) Quais são os parâmetros de entrada necessários para a modelagem? Com a etapa de planejamento bem executada se reduzirá em muito o tempo de trabalho e o modelo cumprirá de forma adequada os requisitos. 6. Construção de modelos 3D aplicados à modelagem Top-down As informações levantadas na etapa de planejamento possibilitam completa estruturação e criação da base de arquivos no software CAD. A sequência de comandos depende do software empregado, no caso em questão como foi empregado o Autodesk Inventor, o método é descrito a seguir: Inicialmente, cria-se o primeiro arquivo em ambiente de montagem. Usando os comandos create in place, são criadas as submontagens de segundo nível, tomando-se o cuidado para que elas compartilhem o sistema de coordenadas global. O procedimento é seguido dentro de cada submontagem para os níveis subsequentes até a conclusão do modelo. Nesta etapa é importante sistematizar os nomes dados aos arquivos para evitar conflitos futuros. A Figura 5 apresenta um exemplo de estruturação para um equipamento hipotético usando o conceito create in place. 7

8 Figura 5 Estruturação de um equipamento hipotético usandoo conceito create in place (Santos, 2011) 7. Visão geral do fluxo de trabalho da modelagem Top-down Os desenhos de fabricação são o objetivo do sistema paramétrico, e são os documentos que serão empregados para a construção do equipamento. As quantidades e tipos de desenhos 2D necessários para cobrir toda a documentação necessária para a fabricação são definidos por norma e seguem uma metodologia, independente do cliente. Estes dados são levantados na definição do escopo do trabalho. Normalmente para equipamentos mecânicos fabricados sob encomenda são requeridos desenhos de conjunto com listas de materiais, desenhos de detalhes para subconjuntos, fichas de corte e mapas de soldagem. A geração automática de vistas é uma ferramenta presente no software Autodesk Inventor. Na maior parte dos casos a partir do fato de todos os modelos e desenhos serem préconstruídos, com a entrada de parâmetros de um novo equipamento, todas as atualizações ocorrem sem problemas, excetuando-se o caso dos desenhos de conjunto que envolvem elementos que foram comutados. Para estes casos pode ser necessária alguma dose de retrabalho, principalmente no que diz respeito a balões para indicação de item nas listas de 8

9 materiais e cotas, que são ligados às arestas das peças e quando elas são comutadas ocorre perda de referência. A Figura 6 apresenta uma visão geral da metodologia de parametrização de equipamentos mecânicos através de um fluxo de tarefas. Figura 6 Fluxo de tarefas para a parametrização (Santos, 2011) 8. Bibliografia FOLEY, J., VAN DAM, A., FEINER, S. & HUGHES, J. (1990). Computer graphics: principles and practice. Reading: Addison Wesley. FUNKHOUSER, T., MIN, P. & KAZHDAN, M. (2003). A search engine for 3D models. ACM Transactions on Graphics, p IYER, N., KALYANARAMAN, Y., LOU, K., JANYANTI, S. & RAMANI, K. (2003). A reconfigurable 3D engineering shape search system part I: shape representation. In: DETC 03. 9

10 MACMAHON, C. & BROWNE J. (1998). CAD/CAM principles, practice and manufacturing management. Harlow: Addison Wesley Longman. PERKINS, D.N. (1986). Knowledge as design Hillsdale. NJ: Lawrence Erlbaum Associates. SANTOS, A.G. (2011). Desenvolvimento de uma metodologia para parametrização de equipamentos pressurizados. Dissertação de Mestrado. Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo. TANGELDER, J. & VELTKAMP, R. (2004). A survey of content based 3D shape retrieval methods. In: International conference on shape modeling, p YE, X., LIU, H., CHEN, L., CHEN, Z., PAN, X. & ZHANG, S. (2008). Reverse innovative design an integrated product design methodology. Computer-Aided Design, v.40, p YE, X. Z., PENG, W., CHEN, Z.Y. & CAI, Y. Y. (2004) Today s students, tomorrow s engineers An industrial perspective on cad education. Computer-Aided Design, v.36,p