Aumentando a precisão em cotação de peças injetadas Renan Melhado Mazza SMARTTECH Fabio C. Caires - SMARTTECH Descrição da Classe Demonstrar as dificuldades do levantamento das informações técnicas durante a cotação de peças plástica e como podemos minimizar os erros durante essa etapa usando Autodesk Simulation Moldflow. Objetivo de aprendizado Ao final desta palestra você terá condições de: Entender pontos chaves do custeio de peças plásticas Visualizar como aumentar assertividade dos custos levantados Entender algumas relações de impacto de processo, molde e produto no custo final da peça. Sobre o Palestrante Autor: Renan Melhado Mazza., renan.melhado@smarttech.com.br Engenheiro de materiais, formado pela Fundação Santo André e experiência no uso do Autodesk Simulation Moldflow na aplicação da ferramenta desde a engenharia de produto até correlação de resultados reais e virtuais, há cinco anos e certificado nível Professional pela Autodesk. Atualmente é responsável por conduzir diversos trabalhos com a utilização da ferramenta Autodesk Simulation Moldflow no intuito de otimizar o produto e processo de peças plásticas. No passado atuou nas áreas técnicas de suporte na utilização, desenvolvimento de novas metodologias e treinamento nos produtos Autodesk Simulation Moldflow e também atuou durante 2 anos na área comercial avaliando possibilidade de melhorias na metodologia de clientes e utilização da ferramenta em novos nichos de mercado. Co-autor: Fábio Calheiros Caires, fabio.caires@smarttech.com.br Possui graduação em Engenharia de Materiais pela Universidade Presbiteriana Mackenzie (1998) e especialização em Didática do ensino superior pelo Centro Universitário Padre Anchieta. Tem experiência na área de Engenharia de Materiais, com ênfase em polímeros. A atuação profissional pode ser descrita: -10 anos em setor de desenvolvimento de produtos e ferramentas de peças plásticas em indústria de construção civil e bens de consumo. - Instrutor para Treinamento na área de simulação de injeção de peças plásticas. - Suporte técnico na área de simulação de injeção de peças plásticas. - Responsável pelo contato direto com o cliente na prestação de serviços de simulação de injeção. - Consultoria e suporte a cliente com acompanhamento de try-outs de injeção de termoplástico. Atualmente é responsável técnico-comercial pela área de Manufatura da Smarttech, coordenando e atuando em pré-venda e venda do software de Simulação Autodesk Simulation Moldflow.
Introdução Atualmente o mercado está cada vez mais competitivo devido as crises e a aproximação global que os países passam a ter. No passado a concorrência era em mercados regionais, entre estados, porém agora mesmo numa multinacional existe a concorrência interna entre plantas de diversos países ou continentes. Outro fator é o desenvolvimento de produto que não é mais centralizado,sendo assim seu parceiro, fornecedor ou cliente pode estar em qualquer lugar do planeta. Com essa competitividade o processo de estimativa de custo inicial de produto ou projeto passa a ser crucial para o sucesso, porém existem diversas dificuldades nesse processo devido cada empresa ter sua cultura e metodologias, isto resulta em diferentes orçamentos e dificuldades em confrontar a informação do cliente e fornecedor. Dessa forma passa a ser de extrema importação o levantamento das informações técnicas do projeto serem feitas de maneira transparente e baseado numa metodologia confiável e que ambas as partes entendam os critérios adotados. Outro ponto fundamental é que ao pensar no uso de peças plásticas injetadas, geralmente o que se espera são peças produzidas com bons acabamento minimizando trabalhos posteriores, complexidade de design, peças que apresentam funções estéticas e estruturais. Porém ao olhar do ponto de vista do transformador do material, deve-se avaliar as inúmeras dificuldades que o processo traz. Seja linhas de emenda, manchas queima ou até mesmo uma falta de capacidade na máquina, problemas de durabilidade de molde como um postiço que sempre quebra, uma rebarba que precisa de operador para remover, entre outras pontos. Todos essas possibilidades fazem com que a estimativa de custo inicial do projeto se distancie do valor real e final da peça, afetando diretamente a lucratividade ou desempenho da empresa. Processo de desenvolvimento de peças injetadas Qual é o ciclo, em geral, do desenvolvimento de uma peça plástica? O fluxo abaixo pode servir de exemplo. Fluxo geral do desenvolvimento de peça plástica Tudo se inicia no Marketing que busca uma necessidade ou espaço no mercado para poder junto com o design desenvolver uma solução. Uma vez dado forma a solução, o projeto passa no filtro do financeiro ou departamento de custos para levantar os investimentos necessários do projeto, retorno de investimento (ROI) e riscos envolvidos. Esse é o ponto crucial para o projeto, pois é através do levantamento de custos, que se defini se o projeto irá seguir continuidade ou se será realizada alguma revisão no conceito inicial ou se simplesmente será cancelado devido a falta de atratividade, alto custo ou baixo ROI. 2
Caso o projeto se mostre favorável, então segue o processo com um valor de investimento definido que deverá ser comprido, esse valor é definido com base em todos os fatores envolvido no projeto de peças plástica e sua precisão será vital para definir se o projeto trará lucro ou prejuízo que muitas vezes podem se arrastar por anos devido ao contrato de fornecimento firmado. Quando avalia-se o custo de peças plásticas precisa levantar as principais áreas que compõe o mesmo: Matéria Prima; Transformação; Ferramental; Engenharia de produto; Logística; Administrativo; Processos secundários. Com exceção dos tópicos Logística e Administrativo, o restante são definições técnicas que irão impactar de produto a produto. Atualmente as avaliação realizadas são baseadas especificações, conhecimento anteriores e produto, tendo pouca visibilidade do processo, um exemplo disso é o material, este é geralmente definido levando em consideração requisitos de aplicação, porém porque não avaliar também questões como energia necessária para o processamento? Estocagem do material? Impacto na janela de processo? e Custos para recolher o descarte do material? Pode-se considerar que são 4 pilares (Produto, Material, Transformação e Ferramental) que definem o sucesso do projeto e a necessidade de processos secundários, como exemplo podemos pensar na rebarba. Um projeto deficiente de geometria pode gerar necessidades de pressões altas na transformação podendo resultar em rebarbas, o que nos indica um custo adicional na peça de mais um operador, além do aumento no tempo total de produção do componente. Essas ineficiências de projeto impactam diretamente na Engenharia de produto, pois com atrasos devido a um material selecionando, que apresenta uma dificuldade em processo ou um projeto de molde que não foi bem estimado, podem causar um número maior de interações da engenharia de produto que gera custo de atualizações, documentação, protótipos entre outros. Com esse cenário desenhado tem-se como desafio aumentar a precisão na estimativa de custos frente essas inúmeras incógnitas, avaliando potencias ganhos e ou reduções de custo para garantir o projeto. A aplicação do Autodesk Simulation Moldflow numa etapa prematura do desenvolvimento de produto pode ajudar a prever essas incógnitas e auxiliar nas tomadas de decisões, tornando-as mais precisas, rápidas e robustas. 3
Conceitos Básicos Para poder discutir o custo de peças plásticas é necessário um entendimento mínimo dos conceitos mostrados a seguir. Matéria-Prima Os polímeros são macromóleculas, diferente dos Metais que são materiais estruturados em forma de cristais, a estrutura polímeros consiste em um emaranhado de cadeias poliméricas. Essas macromóleculas são formadas por elementos unitários chamados de Meros que após a polimerização formam a Cadeia Polimérica. Fonte: Shoemaker, Jay. Moldflow Design Guide: a resource for plastic engineers. 2006 Dentre os polímeros tem-se diversos materiais entre eles os plásticos, sendo o processos de manufatura mais utilizado para transformação dos plásticos a Injeção e a Extrusão. A Extrusão tem grande participação no mercado devido as sacolas plásticas que são feitas por esse processo. Sendo então o processo de injeção o mais aplicado em peças complexas e de engenharia, devido a alta repetibilidade e velocidade. Fonte: Shoemaker, Jay. Moldflow Design Guide: a resource for plastic engineers. 2006 4
As características do material são intrínseca a sua estrutura, assim é importante observar que para diferentes famílias de materiais tem-se diferentes parâmetros ótimos de processo, isto irá impactar diretamente no custo da peça devido o gasto energético no processo. Em alguns momentos um material mais caro pode representar um ganho no custo da transformação através do consumo de menos energia. Fonte: Shoemaker, Jay. Moldflow Design Guide: a resource for plastic engineers. 2006 http://www.moldesinjecaoplasticos.com.br/plastico_metal.asp Ponto a se pensar: No momento de se definir o material porque não avaliar o processo além da resistência mecânica? Processo e injetora Para discutir sobre o processo de injeção, é importante entender o funcionamento da maquina injetora. De maneira simplificada a maquina injetora é formada por um funil que alimenta o material ao cilindro de aquecimento onde se encontra o parafuso injetor. Através da rotação do parafuso o material é homogeneizado e transportado para o bico do cilindro a fim de ser injetado dentro do molde. No momento da injeção o parafuso para o movimento de rotação e passa a atuar como pistão pressionando o material no sentido do molde. Além desses elementos tem também a unidade de fechamento, responsável por manter o molde fechado durante a injeção. 5
O processo de injeção pode ser dividido em 5 fases: Preenchimento - Inicio do enchimento do molde, sendo controlado pela velocidade com que o parafuso avança dentro do cilindro da injetora; Recalque - Pressurização para compensar a contração do material no molde. Nessa etapa controla a pressão aplicada pelo parafuso. Refrigeração - O parafuso volta ao movimento de rotação para acumular material no bico da injetora para o próximo ciclo, enquanto a peça permanece no molde até ficar abaixo da temperatura de extração. Abertura e extração - Ao final da refrigeração, o molde se abre e o sistema de extração (do molde) avança e retira a peça de dentro da cavidade. Fechamento do molde - Após a remoção da peça de dentro do molde, o mesmo se fecha e reinicia um novo ciclo. Geralmente o tempo de refrigeração é aproximadamente 50% do tempo de ciclo. Quando avaliado o impacto do tempo de ciclo no custo final da peça deve-se avaliar os custos devido o valor da hora de utilização da maquina injetora, que varia de acordo com o tamanho. Para se pensar: A avaliação da espessura da peça é realizada avaliando a necessidade de uma espessura mínima dado um solicitação mecânica versus o custo do material utilizado. Não seria mais coerente levar em consideração também o impacto da espessura no tamanho da maquina e no aumento no tempo de ciclo? Molde de injeção O molde é peça fundamental para a transformação do material em peça final, uma vez que ele é responsável por dar forma ao material e também fazer o resfriamento da peça. Muitas vezes o Molde pode ser mais caro que a injetora utilizada, pois ele é complexo e formato por diversos sistemas. De maneira simplificada o molde é formado pelos seguintes sistemas: Sistema de alimentação Sistema de refrigeração Sistema de extração Outros elementos como porta molde, pinos, articuladores, gavetas, placas... A diferença de um molde com sistema de camara quente para um com sistema convencional pode chegar aos 40%, porém é preciso entender que esse sistema de alimentação pode trazer benefícios ou redução de custos em outros pontos como diminuição de um processo secundário, maior estabilidade de processo, eliminação de refugo de material. 6
Outro ponto importante no custeio em peça plásticas é que um simples detalhe como encaixe acrescentado na peça pode aumentar consideravelmente o tamanho do molde, pois irá requer um sistema de gaveta ou pinças para poder fazer a extração tendo espaço suficiente para que esses sistemas móveis possam se mover, Além disso irá impactar nos outros sistemas como refrigeração e alimentação, E sem menos o sistema de refrigeração é fator determinante para otimizar o tempo de refrigeração do ciclo da peça, impactando diretamente na qualidade e estabilidade do processo, desse modo a aplicação de um material com condutividade térmica superior ao aço comum do molde poderá acarretar numa redução de custo, se for passível de diminuir o tempo de ciclo da peça. Porém deve-se avaliar com cuidado, pois o ganho irá depender dos custos de hora maquina e do material aplicado. Simulação de injeção O conceito básico utilizados nas simulação com elementos finitos, caso do Autodesk Simulation Moldflow, é a divisão do espaço de interesse em subdomínios de tamanho conhecido e se considerar o calculo nos nós de encontro desses subdomínios. Esse representação é chamada de malha. Esse processo de definição do modelo, isto é gerar a malha sobre o modelo cad, é chamado de préprocessamento. Processo de geração de malha a partir do arquivo cad O Autodesk Simulation Moldflow, calcula a partir dessa malha como será o processo de injeção. Desse modo prevê o comportamento da frente de fluxo, camada congelada até a extração da peça e empenamento, sendo essa etapa chamada de solver ou processamento. Após finalizar o processamento é avaliado os diferentes resultados sempre comparando com os objetivos e critérios predefinidos, assim avaliando cenários diferentes. A seguir será mostrado um exemplo de como aplicar as ferramentas Autodesk Simulation Moldflow Adviser e Autodesk Simulation Moldflow Insight para a definição técnicas no custeio de peças plásticas. Caso Housing Nesse caso será avaliado a peça "Housing", está peça é uma carcaça de furadeira. Para iniciar considera-se alguns pontos: Peça Estética e Funcional Molde de 01 Cavidade Produção de 250.000 pç Forte concorrência com produção na China 7
Peça a ser avaliada No primeiro momento faz-se uma análise de melhore posição do ponto de injeção, considerando a região estética da peça. Resultado de "Gate Location". Após é possível avaliar a janela de processo disponível para esse cenário (Produto+Ponto de injeção+material). No gráfico a seguir a região vermelha é onde a peça apresentará falha no processo, em amarelo a região com dificuldade de injeção e em verde a região recomendada para o processo da peça. Resultado de janela de processo para o Housing. 8
Com a análise de janela de processo é possível também obter uma estimativa do tempo de ciclo da peça. Gráfico da variação do tempo de ciclo com a variação da temperatura do molde. Dessa forma pela simulação foi possível obter alguns dados importantes para o levantamento do custo da peça, entre eles: Tempo de ciclo estimado de 10.80 segundos (1 segundos de preenchimento, 4.8 segundos de refrigeração e recalque e 5 de abertura e fechamento do molde); Peso da peça de 42 gramas; Complexidade do molde e complexidade do processo. Máquina injetora de 600 Ton A partir desses dados foi possível levantar o custo estimado da peça (R$9.04) através de uma planilha montada com os dados obtidos via entrevistas com profissionais da área. Planilha de custeio da peça Housing. 9
A partir desse resultado foi avaliado algumas possibilidade de aumento da janela de processo, nesse caso o aumento da espessura. Nos gráficos abaixo pode-se avaliar o impacto no custo e no aumento da janela de processo. Comparação de cenários com diferentes espessuras Fazendo o levantamento do custo de cada cenários, tem-se o gráfico abaixo, que pode ser utilizado para avaliação dos diferentes cenários. Foi considerado o aumento no peso, no tempo de ciclo e a diminuição na complexidade do processo. Conclusões Variação do custo para diferentes cenários O uso de simulação no momento da estimativa de custo em peças plásticas ajuda: 1. Obtenção de dado mais precisos; 2. Fazer a comparação de cenários; 3. Utilizar uma plataforma única para discussão dos conceitos; 4. Reduzir custos e tempos nos projetos. Referência SHOEMAKER, Jay; Moldflow Design Guide: a Resource for Plastic Engineers. Framingham, MA: Hanser Publications, 2006. 10