Gestão 4.0 das variações nos processos de fabricação

A variação dimensional é evidenciada desde o momento em que a primeira peça foi produzida e controlada, seja de forma manual ou através de máquinas, com base em um desenho técnico mecânico. De fato, a variação ocorre naturalmente e está presente em toda a cadeia produtiva.

A variação não pode ser totalmente eliminada, mas pode ser controlada dentro de intervalos (limites) aceitáveis e, nesse sentido, os processos de fabricação e montagem podem fazer uso de um conjunto de estratégias alinhadas com os fundamentos da Indústria 4.0, a fim de mitigar o efeito das variações dos produtos.

A 4ª Revolução Industrial vem exigindo adaptações comportamentais e organizacionais repentinas. Desde a virada do século XX para XXI, parte da humanidade vivencia experiências caracterizadas por uma internet mais disseminada e móvel, por sensores de tamanho reduzidos, com maior capacidade e menor custo, além da inteligência artificial e aprendizagem de máquina.

Da mesma maneira, o processo de desenvolvimento do produto está passando por mudanças radicais, em função da digitalização da manufatura, que faz uso de um conjunto de tecnologias habilitadoras que sustentam o conceito de Indústria 4.0.

Nesse sentido, é fundamental que as variações dimensionais dos produtos sejam consideradas, identificadas e controladas, proporcionando ganhos para as etapas de fabricação e montagem. A gestão 4.0 das variações pode ser entendida como um conjunto de atividades relacionadas ao controle e compreensão dos desvios dimensionais, bem como seus efeitos na qualidade do produto durante o seu ciclo de vida.

No entanto, necessariamente, fazendo uso de tecnologias fundamentadas no computador, possibilitando uma interconexão entre o produto físico e seu equivalente virtual. De posse dessa reflexão, a Figura 1 ilustra o processo de garantia da qualidade dimensional dos produtos no contexto da Indústria 4.0.


Figura 1: Garantia da qualidade dimensional no contexto da Indústria 4.0.

Na etapa de projeto do produto, os conceitos são definidos, analisados, experimentados e otimizados virtualmente como intuito de suportar as variações durante o processo de fabricação. Primeiramente, os requisitos funcionais e estéticos do produto devem ser definidos e decompostos em tolerâncias dimensionais e geométricas.

Em seguida, na etapa de pré-fabricação, os dados de tolerância dos componentes do produto (por exemplo, as peças que formam o sistema mecânico) devem ser verificados e testados, em consonância com o processo de fabricação. Ainda, na etapa de pré-fabricação, é realizado o planejamento do controle da qualidade o produto.

Por fim, na etapa de fabricação, todos os ajustes iniciais do processo são concluídos e o produto deve estar em plena produção. Os dados de inspeção de componentes e de submontagens correspondentes são usados para controlar a fabricação.

Dessa forma, para o entendimento do impacto das variações na qualidade dimensional dos produtos é fundamental que algumas atividades sejam realizadas:

Definição dos requisitos funcionais e estéticos

São muitos os exemplos de produtos com capacidades e funções importantes para a sociedade em aplicações distintas, sendo essas características determinantes para o sucesso do produto no mercado. Assim, torna-se importante a definição dos requisitos funcionais e estéticos dos produtos no início do seu ciclo de desenvolvimento.

Para executar uma boa definição dos requisitos é necessário o completo entendimento das funções que o produto precisa desempenhar. Por exemplo, o compartimento de baterias de um determinado produto eletrônico.

Sua principal função compreende manter o conjunto de baterias na posição de projeto, em contato com os terminais, conectores ou outros componentes. Outras características funcionais também são extremamente desejáveis nesse exemplo, tais como facilidade de montagem, fixação, etc.

Objetivando também atingir a qualidade percebida, que é definida como aquela qualidade que pode ser sentida sem a necessidade de uma avaliação prévia, são necessárias definições acerca dos requisitos estéticos do produto.

Esses requisitos são compostos por folgas e nivelamentos entre superfícies que buscam manter as condições estéticas (por exemplo, reflexos) previamente estabelecidas nas atividades de projeto do produto.


Figura 2: À esquerda, requisito funcional – bateria em contato com os terminais e outros componentes; à direita, requisito estético – reflexos no manípulo do produto.

Tradução dos requisitos em especificações do produto

Considerando compreendidas as características funcionais e estéticas que originaram o conjunto de requisitos de um produto, é então necessária a tradução dos mesmos para um formato mensurável, passível de controle e acompanhamento durante o desenvolvimento do produto.

Para isso, são utilizadas dimensões, muitas vezes associadas às normas de GD&T – Geometric Dimensioning Tolerancing (ISO 1101 e ASME 14.5Y). Através dessas, é possível transformar os requisitos qualitativos em quantitativos. A Figura 3 apresenta um exemplo de requisito de folga e nivelamento em um produto automotivo.


Figura 3: Requisito de folga e nivelamento em um produto automotivo

Através de um documento claro, contendo as características dimensionais e geométricas desejáveis para o produto, essas informações compõem o plano de controle e devem ser adotadas como entrada principal para o desenvolvimento das atividades durante o processo gestão das variações.

Relacionamento geométrico entre as peças

As variações são propagadas de forma natural ao longo dos processos de fabricação. Sendo assim, é fundamental que as variações dimensionais e geométricas sejam consideradas em peças individuais, dispositivos de fabricação e montagem e, principalmente, em conjuntos montados com um ou mais componentes.

A parcela de variações encontrada em uma peça ou dispositivo individual pode não apresentar grandes problemas em uma análise isolada. Entretanto, os processos de montagem entre peças e dispositivos ocasionam um processo acumulativo de variações, capaz de gerar um cenário onde o impacto do aparecimento das mesmas é normalmente mais significativo, sobretudo nos conjuntos e montagens finais.

Portanto, é importante assegurar o devido entendimento sobre a forma como as peças e dispositivos se relacionam geometricamente. Esse relacionamento se dá através do contato entre as superfícies (por exemplo, planos, furos e pinos) de cada uma das peças.

Através desses elementos, são criadas restrições que definem a localização, orientação e fixação de uma peça em relação a outra peça ou dispositivo. A Figura 4 destaca o relacionamento entre superfícies (em verde) de duas peças a serem montadas. O contato entre as superfícies destacadas é capaz de prover o travamento de todos os graus de liberdade de uma peça em relação à outra.


Figura 4: Relacionamento entre superfícies das peças do produto.

Especificação de GD&T

Após compreender o efeito das variações dimensionais e geométricas, é imprescindível adotar uma linguagem inequívoca, capaz de traduzir e impor limites toleráveis para as variações encontradas.

As primeiras tentativas de especificação de tolerâncias foram realizadas com base na utilização de um sistema de dimensionamento cartesiano (bi-dimensional), que não demonstrava um desempenho satisfatório, visto que o mesmo não representava completamente a condição de montagem das peças especificadas. Para tal, as tolerâncias necessariamente precisariam ser expressas de forma tridimensional (3D).

O desenvolvimento da linguagem de especificação dimensional e geométrica – Geometric Dimensioning and Tolerancing (GD&T), se desenvolveu levando em consideração zonas de tolerância tridimensionais, aplicadas através de controles de localização, orientação, forma e dimensão para as superfícies e elementos funcionais de uma peça.

Desta forma, tornou-se possível descrever com maior clareza o relacionamento entre peças, que deve transmitir a intenção dos projetistas e analistas, nas etapas de projeto, manufatura e qualidade.

A disseminação e o constante desenvolvimento das normas ISO e ASME vem proporcionando uma abrangência ainda maior da linguagem GD&T. Adicionalmente, novas ferramentas computacionais também estão incorporando os conceitos e símbolos estabelecidos pela mesma, criando um ambiente integrado, capaz de reduzir significativamente os esforços para a criação de modelos de simulação dimensional.

Simulação dimensional

Nos últimos anos, as ferramentas de simulação deixaram de ser restritas aos especialistas em computação e, gradativamente, vêm fazendo parte da rotina de engenheiros, contribuindo com a formulação de projetos, tomada de decisões e resolução de problemas.

As ferramentas de simulação de variações dimensionais vêm ganhando mais espaço no cotidiano de engenharia, por favorecem a integração dos processos de desenvolvimento do produto. Assim, favorecendo também as etapas de planejamento e, consequentemente, minimizando os custos associados a desvios da qualidade.

Os softwares de análise de variações são usados para simulação de processos de fabricação e montagem para prever as quantidades e as causas da variação. Em outras palavras, esses softwares são dedicados a acomodar a variação por meio de análises estatísticas ou otimizações de tolerância usando as ferramentas de Computer Aided Engineering (CAE), isto é, engenharia assistida por computador. Esses softwares também são frequentemente denominados como ferramentas de Computer Aided Tolerancing (CAT), isto é, toleranciamento assistido por computador.

As ferramentas disponíveis no mercado para simulação dimensional apresentam funcionalidades que visam, por exemplo, a garantia da intercambiabilidade de peças ou, até mesmo, a percepção do impacto da variação dimensional sobre um requisito que compromete a função e a estética do produto.

A Figura 5 apresenta um exemplo de uma simulação dimensional que envolve a validação das dimensões críticas e tolerâncias funcionais apropriadas para o processo de fabricação que envolve um sistema de transmissão por engrenagens.

Hoje, com algumas devidas ressalvas, é evidente a importância da tolerância para assegurar a função do produto, trazendo benefícios para a qualidade e para o custo. Assim, as ferramentas de simulação dimensional ajudam no diagnóstico de uma relação de compromisso entre os interesses dos envolvidos com o projeto do produto e com a fabricação.


Figura 5: Simulação dimensional em um sistema de transmissão por engrenagens.

Posto isso, num contexto 4.0, as atividades de gestão 4.0 das variações são suportadas de forma digital, através de ferramentas computacionais, softwares e experimentos virtuais, com o intuito de mitigar e controlar os efeitos das variações dimensionais.

Para tanto, uma alternativa viável e em consonância com os fundamentos da Indústria 4.0 é a adoção de um gêmeo digital que, germinado na etapa de projeto do produto, pode ser colocado como um facilitador para gestão das variações dimensionais.

Assim, o modelo de simulação dimensional desenvolvido deve operar, a partir de uma finalidade pré-estabelecida, incorporando modelos da realidade e fazendo uso de dados estruturados, viabilizando um equivalente físico (gêmeo digital) capaz de realizar experimentos virtuais e análises sobre o ambiente físico.

A Figura 6 destaca a interação entre as diferentes partes que viabilizam a arquitetura e a evolução de um gêmeo digital para garantia da qualidade dimensional dos produtos. Assim, essa entidade virtual, estabelecida no computador, faz uso de dados e informações como entrada para ferramentas de simulação que, munidas de modelos e técnicas de análises, permitem gerar conhecimento sobre um produto ou sistema.


Figura 6: Gêmeo digital para garantia da qualidade dimensional dos produtos.

Dessa forma, na premissa de mitigar o efeito da variação, essa entidade virtual visa a contribuir com o desenvolvimento de projetos robustos, distribuir e validar tolerâncias e, além disso, busca colocar-se à disposição para suportar funcionalidades posteriores ao longo do ciclo de vida do produto.

À vista disso, contribui com a validação da arquitetura do produto, analisando e otimizando os conceitos para suportar o efeito da variação dimensional no nível dos componentes. Para isso, realizando experimentos virtuais a partir de dados de produção disponíveis e confiáveis.

Haja vista que a gestão 4.0 das variações envolve um conjunto de estratégias para controlar e compreender as variações nos processos de fabricação, as tecnologias digitais apresentam um papel estratégico nesse processo, pois a garantia da qualidade dimensional dos produtos é impactada pelas decisões tomadas em diferentes departamentos da empresa, desde a etapa de projeto do produto até a fabricação, inspeção, montagem e testes.

Portanto, com os avanços das discussões que envolvem a fundamentação da manufatura avançada (Indústria 4.0), a gestão 4.0 das variações assume um papel de inteligência para os processos de fabricação, capaz de promover melhorias na produtividade, reduzindo os impactos negativos da variação na qualidade dos produtos, minimizando custos, riscos e tempos de produção.

A gestão 4.0 das variações é um caminho para o desenvolvimento de produtos mais competitivos.



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