O uso da simulação para análise do layout de uma célula de manufatura um estudo de caso

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1 O uso da simulação para análise do layout de uma célula de manufatura um estudo de caso Gustav Vinhas Nilsson (UNIFEI) José Arnaldo Barra Montevechi (UNIFEI) Roberto Duarte (UNIFEI) Resumo Além de auxiliar na tomada de decisões quando se trabalha com muitas variáveis, a simulação também reduz o custo de experimentação. Este trabalho compara a melhoria de uma célula de manufatura real tanto pela maneira tradicional quanto pelo uso da simulação. Para realizar esta simulação optou-se pelo software ProModel. Palavras chave: Simulação, Manufatura, ProModel. 1. Introdução Com o propósito de aumentar a competitividade, reduzir os custos e melhorar a qualidade dos produtos e serviços, ferramentas de simulação foram desenvolvidas para estudar o impacto das mudanças. A simulação apesar de ser largamente utilizada na indústria de manufatura, também passou a ser implementada em diversas organizações como: empresas bancárias, hospitais, empresas de transporte de cargas, de passageiros, empresas de serviços, laboratórios de pesquisa e organizadora de eventos (SALIBY, 1999). Simulação é um processo de experimentação com um modelo detalhado de um sistema real para determinar como o sistema responderá a mudanças em sua estrutura, ambiente ou condições de contorno (HARREL, 2002). O desenvolvimento do trabalho que originou este artigofoi realizado por um engenheiro de processos da empresa onde foi feito o estudo de caso, um mestrando na área de economia e finanças, e um bolsista do CNPQ (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) que desenvolveu o modelo computacional. 2. Objetivo Demonstrar a aplicação da ferramenta de simulação em um caso real é o objetivo deste trabalho. Esta demonstração realiza-se através da modelagem de uma célula de manufatura em lotes, propondo-se uma alteração em seu layout para reduzir os custos de produção, sem afetar negativamente a produtividade. Finalmente, analisou-se os impactos no custo e na produtividade da célula sugerida para saber se esta alteração é viável. Foram providenciadas as ordens de produção, estratificação de paradas, desenhos da planta baixa da célula em AutoCad, seqüenciamento de produção e estudos dos tempos de operações fundamentais para auxiliar no desenvolvimento do projeto. O modelo usou dados determinísticos para definir o tempo de processamento em cada máquina, pois estes dados são resultados de anotações da fábrica, que gerou valores médios (ENNS, 2002). 3. A fábrica e o processo da célula estudada A fábrica onde foi realizado o trabalho, faz parte de uma organização multinacional no ramo ENEGEP 2003 ABEPRO 1

2 de componentes automotivos. Dentre os seus produtos, destacamos os pistões, bielas, bronzinas, sistemas de trem de válvulas, sistemas de filtros e anéis para pistões. A empresa é responsável pela produção de anéis para os pistões desde a fundição até o acabamento final. Os produtos escolhidos para o estudo de caso foram os anéis automotivos para uso em pistões. Os aneis são componentes usados para o perfeito funcionamento do motor, sendo constituídos de metal. Quando instalados nos cilindros dosam os motores, tornando-se circulares e auto expansivos, o que proporciona uma vedação móvel entre a câmara de combustão e o cárter do motor, como mostra a figura 1. Anel de Pistão Anéis Pistão Figura 1 - Ilustração do anel e do pistão A célula estudada faz operações de usinagem em uma família de anéis de ferro fundido cinzento ou nodular. As principais características da família que interferem no resultado da produção são: altura do anel que varia de 1,2 a 2,5 mm, como algumas máquinas trabalham por pacotes de anéis, quanto maior for a altura do anel, menor será a capacidade da máquina; geometria da face de contato, se o anel possuir rebaixo na sua face de contato a operação de torno acabado terá que colocar um espaçador entre cada anel o que diminuirá a sua capacidade; diâmetro e material, estas características representam uma restrição para a maioria dos equipamentos visto que o material interfere na usinabilidade ( dureza e composição ) e o diâmetro na velocidade de corte. Sobre o ponto de vista dos operadores, indicados na figura 2 com seus respectivos números, os anéis brutos chegam até a célula através de carrinhos. A primeira etapa de todos os tipos de anéis será no Torno de Forma Vertical, depois seguem para um estoque intermediário, chamado neste caso de "Carrossel", indicado na figura como o objeto entre os operadores número 2 e 5. O operador 1 retira um conjunto de anéis do carrinho e separa uma quantidade de anéis, de acordo com a altura dos mesmos para fazer o pacote. O pacote é a maneira na qual ele coloca o número máximo de anéis para serem prensados e então processados. O número de anéis no pacote varia em função da altura dos anéis do lote trabalhado. Uma vez montado, o operador 1 coloca o pacote na primeira máquina, o Torno de Forma Vertical. Depois o pacote é secado em uma maquina ao lado. Enquanto a máquina está trabalhando, o operário 1 transfere o pacote anterior para o Carrossel e prepara outro pacote para entrar na máquina. ENEGEP 2003 ABEPRO 2

3 Figura 2 - Vista superior do layout do Modelo Inicial com os operadores O operador 2 vai até o Carrossel e pega o pacote para processar na Gravadora. Nesta máquina, o anel é marcado com um número de série que determina o seu tipo e suas características. À medida que os anéis ficam prontos, o operador 2 faz uma inspeção visual e retira os anéis com problemas para uma caixa de refugos. Os anéis refugados são enviados novamente para a fundição. Feito isso ele devolve o pacote para o Carrossel, porém em outra haste, para que o próximo operário siga o processo. E todos operários seguem essa lógica. A próxima etapa envolve dois Tornos Acabados, dos quais cada um possui seu operário exclusivo e uma máquina chamada de Pilão. No Pilão, o operário coloca um espaçador entre os anéis dependendo do seu tipo. Concluída essa etapa, o pacote segue para o Rebaixo Chanfro. Existem duas máquinas que são operadas pelo operador 5. A etapa seguinte consiste na Topejadora. Esta máquina retifica a superfície superior do anel. O operário 6 fica encarregado dessa máquina, assim como a máquina Escovadora (a última etapa da célula). Feito isso ele coloca o pacote pronto no carrinho de saída. 4. Definição do problema O engenheiro de processos da fábrica apresentou uma proposta para melhoria da célula atual. Modelou-se então a célula atual, chamada de Modelo Inicial, e a célula proposta por ele, chamada de Modelo Proposto 01. Buscou-se provar, através da comparação da simulação com os resultados obtidos na fábrica, que a alteração é viável. Em seguida, sugeriu-se uma melhoria sobre o novo layout, usando os recursos da simulação, obedecendo as exigências de melhorar a produtividade, ser economicamente viável e respeitar a área disponível. 5. O modelo desenvolvido Em relação ao software ProModel, segundo Harrel (2000), as partes de um modelo são: Locations, Entities, Resources, Arrivals e Processing. As Locations possibilitam escolher quais máquinas da biblioteca de gráficos se deseja utilizar e onde ela será colocada. Nas Entities são listados todos os produtos, materiais brutos ou pré-fabricados que serão utilizados na produção. Tem-se a parte dos Resources onde se define qual operário realizará ENEGEP 2003 ABEPRO 3

4 cada função e o caminho que ele deve percorrer na fábrica. Nas Arrivals determina-se onde cada parte do produto entrará na linha de montagem, qual a quantidade e a freqüência. Já no Processing cria-se uma lógica da linha de montagem, estipula-se em quanto tempo cada máquina efetua a sua tarefa, adiciona-se as distribuições de probabilidade de refugos, quebras, tempo de manutenção necessário e o contador das variáveis. 6. Validação do Modelo Uma vez, validado, pode-se iniciar as experiências no modelo de forma segura e confiável (ROBINSON, 2002). O Modelo Inicial foi validado através da comparação do custo, da produtividade e do volume de peças produzidas da célula real, conforme visto na tabela 1. Célula Real Modelo Inicial Custo total R$ ,00 R$ ,00 Produtividade - Pacotes por dia Pacotes Produzidos unidades unidades Tabela 1 - Validação do Modelo Inicial Os custos de produção para um mês estão compatíveis com os levantamentos tradicionais. O custo total para a célula real é de R$ ,00 e a simulação obteve o valor de R$ ,00. Isto equivale a uma diferença de 4% a mais para a célula virtual, podendo ser considerada igual (NEWBOLD, 1995). A diferença notada no número de pacotes produzidos é conseqüência do aumento do número de pacotes que entram na célula para compensar as peças refugadas. Logo acrescenta-se mais anéis que a ordem de produção exige para garantir o número pedido de anéis (HARREL, 2000). 7. Análise do Modelo Proposto 01 O modelo reestruturou o layout anterior, ilustrado pela figura 3. Com as alterações foi disponibilizado um Torno de Forma Vertical, que pode viabilizar a montagem de uma célula idêntica (SUKIMAN, 2001), uma vez que esta máquina representa mais de 50% do custo imobilizado da célula. Esta modificação dará à produção maior flexibilidade de programação (YADAV, 2000) e um aumento da capacidade instalada (MARK, 2001). Uma alteração relevante foi a retirada da etapa de bombeamento. Apenas 30% dos anéis passam por estas máquinas, deixando-as subutilizadas. Como sugestão, colocou-se as máquinas de bombeamento em uma célula própria, onde será possível concentrar todos os anéis de várias células para otimizar a produção dessas máquinas (LORINI, 1993). ENEGEP 2003 ABEPRO 4

5 Figura 3 - Vista superior do layout Proposto 01 É importante ressaltar a melhora na performance do Torno Vertical, quando só existe uma dessa máquina, passando de 12,96% cada uma para 22,41%, conforme visto na tabela 2. A etapa de gravação também obteve melhoras ao usar apenas uma máquina. O gargalo da célula foi identificado como a etapa de escovamento e o Modelo Proposto 01 conseguiu reduzí-lo. Isto pode ser constatado na máquina Topejadora, que teve uma redução no seu tempo bloqueado de 46,51% para 39,73%. Em % do tempo Modelo Inicial Mod. Proposto 1 total Operação Bloqueado Operação Bloqueado Torno Vertical 1 12,96 0,00 22,41 0,00 Torno Vertical 2 13,37 0, Gravadora 1 15,34 0,00 25,10 - Gravadora 2 17,19 0, Torno Acabado 1 9,40 0,00 8,60 0,00 Torno Acabado 2 9,50 0,00 8,64 0,00 Reb. Chanfro 1 7,78 0,00 8,61 0,00 Reb. Chanfro 2 7,66 0,00 8,53 0,00 Topejadora 3,20 46,51 3,45 39,73 Escovamento 20,71 0,00 19,64 0,17 Tabela 2 Melhorias do Modelo Proposto 01 Demonstrou-se também que o custo total do Modelo Inicial foi de R$ ,00 e o Modelo Proposto 01 conseguiu o resultado de R$ ,00, o que representa uma redução de 30%. A seguir, a figura 4 mostra a comparação dos tempos de finalização dos anéis nas duas concepções de layout. Os demais anéis possuem curvas diferentes, porém um comportamento similar. Pode-se observar que o Modelo Proposto 01 (linha azul tracejada) conduz a um trabalho mais rápido do que o Modelo Inicial. ENEGEP 2003 ABEPRO 5

6 peças acabadas 32 dias Figura 4 - Evolução de peças acabadas do anel Pode-se concluir que é válida a implementação do Modelo Proposto 01 em relação ao Modelo Inicial, visto que haverá ganhos significativos tanto na parte financeira como uma melhoria na performance da célula. 8. Análise do Modelo Proposto 02 Depois que foi comparado o Modelo Inicial com o Modelo Proposto 01, que foi desenvolvido sem a ferramenta de simulação, tentou-se aprimorá-lo ainda mais ao utilizar as técnicas de simulação que o software proporciona. Após algumas experiências, chegou-se à seguinte estrutura, conforme a figura 5: acrescentar mais uma máquina na etapa do escovamento e adicionar mais um operador para essa etapa também. Figura 5 - Vista superior do layout Proposto 02 Com esta nova construção obteve-se um ganho de 17% na produtividade em relação ao Modelo Proposto 01. Os custos mantiveram-se estatisticamente iguais (NEWBOLD,1995), a conferir na tabela 3: Célula Real Modelo Inicial Mod. Proposto 1 Mod. Proposto 2 Custo Total R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 R$ ,00 Produtividade pacotes por dia Pacotes produzidos Tabela 3 Resumo dos resultados alcançados ENEGEP 2003 ABEPRO 6

7 A figura 6 mostra a evolução da produção dos anéis do Modelo Proposto 02 (em azul) com o Modelo Proposto 01: Peças Acabadas Dias Figura 6 - Evolução de peças acabadas do anel A tabela 4 mostra que há ganhos consideráveis quanto ao gargalo. O tempo bloqueado reduziu-se de 39,73 % para 3,35%. No caso ele não mudou de posição, manteve-se na etapa do topejamento, porém houve um aumento de 3,45% em operação para 4,94%, através da redução do tempo ocioso (MATTHIAS, 2000). Em % do tempo Mod. Proposto 1 Mod. Proposto 2 Total Operação Bloqueado Operação Bloqueado Torno Vertical 1 22,41 0,00 22,58 0,00 Torno Vertical Gravadora 1 25,10-25,24 0,00 Gravadora Torno Acabado 1 8,60 0,00 8,61 0,00 Torno Acabado 2 8,64 0,00 9,06 0,00 Reb. Chanfro 1 8,61 0,00 8,96 0,00 Reb. Chanfro 2 8,53 0,00 8,40 0,00 Topejadora 3,45 39,73 4,94 3,35 Escovamento 1 19,64 0,17 15,62 0,56 Escovamento ,93 1,00 Tabela 4 Melhorias do Modelo Proposto Conclusão Diante das demonstrações acima, este trabalho apresenta cientificamente que a compra de mais uma máquina para a etapa de escoamento e a adição de mais um operador na estrutura de layout é viável. Conseguiu-se provar ganhos relevantes na performance da célula, e uma redução dos custos. O lead-time da célula reduziu-se em 24% e teve-se ainda um ganho físico que possibilitará construir uma célula espelho. Como sugestão para trabalhos futuros tem-se o estudo das ordens de produção. Sabendo-se que há diferenças no lead time dependendo do sequenciamento utilizado (PINHO, 1999). ENEGEP 2003 ABEPRO 7

8 Outro trabalho que pode ser desenvolvido é a otimização do layout através do uso do software de otimização SimRunner, uma vez que as experiências podem levar a um resultado válido, mas não ótimo (PRADO, 1999). Uma terceira sugestão é o estudo da performance dos operários levando em consideração a fadiga, o estudo de tempos e movimentos, assim como a influência da motivação, das relações informais e a relação com a gerencia. Este trabalho mostrou que o exercício da simulação proporciona à empresa uma melhor visualização do seu processo, através de poderosos recursos graficos, o que contribui para melhorar a sua performance em problemas com muitas variáveis e sistemas complexos (SPEDDING & SUN, 1999). O uso de modelos neste estudo de caso provou que ao tomar uma decisão estratégica, pode-se usar a simulação com base científica e com o mínimo de transtorno para a área estudada, já que as experiências são realizadas virtualmente (KANE, J.F., 2000). Referências ENNS, S.T., MPR performance effects due to forecast bias and demand uncertainty, European Journal of Operational Research, HARRELL, C., Simulação otimizando sistemas, IMAM, HARRELL, C.;GHOSH, B.; BOWDEN, R., Simulation using ProModel, McGraw-Hill, KANE F, TAYLOR, R., Simulation as an essential tool for advanced manufacturing technology problems, LORINI, Flávio J., Tecnologia de Grupo e Organização da Manufatura, Ed. da UFSC, MARK, D.; AQUILANO, N.; CHASE,R., Fundamentos da Administração da Produção, 3ª ed. Bookman Editora, Porto Alegre, MATTHIAS, Amen, Heuristic methods for cost-oriented assembly line balancing: A survey, International Journal of Production Economics, NEWBOLD, P., Statistics for Business & Economics,Prentice Hall, 4th edition, PINHO, A., Uma contribuição para resolução de problemas de programação de operações em sistemas de produção intermitentes, UNIFEI, PRADO, D., Programação Linear, vol. 1, Ed. Desenvolvimento Gerencial, ROBINSON, S., General concepts of quality for discrete-event simulation, E.J.O.Research, SALIBY, E., Tecnologia de Informação: uso da simulação para obtenção de melhorias em operações logísticas, Revista Tecnologística, SPEDDING TA; SUN GQ, Application of discrete event simulation to the activity Based Costing (ABC) of manufacturing systems, International Journal of Production Economics, SUKIMAN, D., IRANI, S., Melhorias de layout em uma célula de montagem. Revista Especializada, YADAV, R., The strategic implications of flexibility in manufacturing systems, International Journal of Agile Management Systems, ENEGEP 2003 ABEPRO 8