controle estatÍstico de processo (cep) aplicado...

CONTROLE ESTATÍSTICO DE

PROCESSO (CEP) APLICADO NA

FURACÃO AUTOMÁTICA DE UMA

UNIÃO DE MATERIAIS

AERONÁUTICOS

Carlos Henrique Pereira de Souza (UNIARA )

[email protected]

Gustavo Franco Barbosa (USP )

[email protected]

Marcelo Wilson Anhesine (UNIARA )

[email protected]

Este trabalho tem como objetivo demonstrar as análises de uma

furação automatizada usando uma plataforma robótica, quando uma

união de materiais é processada. O método de Controle Estatístico de

Processo (CEP ) é aplicado a este propósito específico, a fim de se

assegurar os requisitos de projeto e dar assistência para melhorias de

processos. A principal contribuição e novidade deste trabalho é a

demonstração e obtenção de dados através da aplicação do CEP na

furação de dois materiais diferentes, a fim de se trazer benefícios de

qualidade e usa-los como fonte de dados para novas aplicações. Assim,

tem se procurado obter melhores resultados em termos de qualidade e

eficiência do processo de furação, principalmente em relação a tempo,

custo e padronização, frente a um mercado competitivo. Além disso,

essa aplicação contribui para melhorar a flexibilidade das tarefas de

trabalho, reduzir os tempos, gerenciar as rotinas e atender novas

demandas de produção, buscando sempre a excelência nos processos

com um maior valor agregado, além de proporcionar uma maior

satisfação dos clientes. Os resultados finais do estudo estatístico são

apresentados para evidenciar a capacidade e desempenho do processo

executado por meio de robôs.

Palavras-chaves: CEP, Robô, Furação, Qualidade,

Aeronáutica,Automação

XXXIV ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Engenharia de Produção, Infraestrutura e Desenvolvimento Sustentável: a Agenda Brasil+10

Curitiba, PR, Brasil, 07 a 10 de outubro de 2014.



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1. Introdução

A competitividade no mercado aeroespacial e as exigências vivenciadas pelas organizações

apontam para necessidades de melhorias contínuas em seus processos fabris, sendo que a

qualidade indiscutivelmente é um fator crucial para isto (EXLER; LIMA, 2012).

Os robôs estão sendo amplamente utilizados nos vários segmentos da indústria, serviços,

saúde / médico, defesa e espaço. A robótica foi inicialmente introduzida para as tarefas sujas,

não delicadas, e perigosas. Hoje, a robótica é utilizada em um conjunto muito mais amplo de

aplicações, e um fator-chave é ajudar as pessoas em suas vidas diárias em todo o trabalho,

lazer e tarefas domésticas. O crescimento econômico, a qualidade de vida e de segurança

continuam sendo fatores-chave para a adoção de robôs (U.S. ROBOTICS, 2013).

Na fabricação estrutural da aeronave, são utilizados diversos materiais entre eles alumínio e

titânio, existem também, regiões onde há uma combinação destes materiais formando assim

um sanduíche. Devido a restrições de montagem, os furos da união destas peças devem estar

de acordo com os requisitos de qualidade estipulados no projeto da aeronave. Sendo assim, o

processo de furação automático por meio de robôs contribui para o aumento de produtividade,

redução de atividades manuais e melhoria da qualidade do furo no ambiente de produção.

Com base nesta necessidade, o CEP contribui para melhorar os processos de produção com

menos variabilidade propiciam níveis melhores de qualidade nos resultados da produção. E

surpreendentemente quando se fala em melhores processos isso significa não somente

qualidade melhor, mas também custos menores (SAMOHYL, 2010).

Neste trabalho, a metodologia CEP é aplicada para certificar a furação do pacote destes dois

materiais (alumínio + titânio), analisando quando uma plataforma robótica móvel é utilizada

no processo de fabricação de uma aeronave. Será discutida a definição de todo o processo, as

medições, análises, melhorias e controle de todas as variáveis envolvidas na furação

automatizada. Além disso, o presente trabalho tem como objetivo fornecer dados de pesquisa

para novas soluções automatizadas similares.

Finalmente, os resultados são apresentados para validar e comprovar a aplicação específica e

os seus benefícios para a competitividade da empresa.



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2. Revisão da literatura

2.1 Automação na produção

A automação tem sido utilizada na fabricação de aviões, de modo a aumentar a agilidade dos

processos e também para responder de forma eficiente às mudanças na demanda, tecnologias

e variação do produto (JEFFERSON, T. G. et al, 2013).

Diante dessa tendência crescente, os sistemas automatizados têm sido implementados de

forma contínua em ambientes de produção. O crescente uso da automação pode ajudar os

fabricantes de aeronaves competirem com outras fabricantes de aeronaves. Dessa forma, a

automação aperfeiçoa os processos com soluções adequadas para a montagem automatizada,

bem como na fabricação de componentes a partir de materiais metálicos (exemplo: alumínio e

titânio).

Os robôs são ideais para facilitar a automação. Alto desempenho, baixo custo de investimento

e, sobretudo, a adaptabilidade dos robôs tornam a escolha perfeita para solução de automação

eficiente. O desenvolvimento de softwares específicos para isso melhora significativamente a

precisão, a repetibilidade e o posicionamento de robôs. Contribuindo também para cumprir os

exigentes requisitos de qualidade da aviação (BROETJE, 2014).

A Figura 1 ilustra a aplicação de montagem robotizada celular denominada pelo fabricante de

RACE (Robotic Automated Cell) utilizada na furação da fixação de uma porta de um avião

comercial.

Figura 1. Célula automática robotizada



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Fonte: BROETJE, 2014

Este sistema chamado RACE pela empresa Broetje Automation tem as seguintes

características:

Robô padrão de 06 eixos;

Maior precisão com o uso do software específico;

Efetuadores (garras) com unidade de furação que inclui sistema de troca de

ferramentas;

Dispositivo para acoplamento automático das ferramentas;

Carga e descarga automatizadas de componentes pelo robô;

Precisão de posicionamento 3D: ± 0,3 mm;

Precisão de repetição: ± 0,5 mm;

Qualidade furo: H8.

2.2 Plataforma robótica móvel

A plataforma móvel robótica é dedicada à fabricação de vários componentes para a indústria

aeroespacial. Esse sistema combina a flexibilidade do robô com a capacidade de

movimentação para qualquer lugar por meio da utilização do sistema de colchão de ar com

todas as utilidades para realizar qualquer processo de montagem. A plataforma robótica inclui

um eixo Z adicional de 2 metros de altura que aumentam o envelope de trabalho do robô

(ALEMA, 2014). A Figura 2 ilustra a aplicação da plataforma móvel robótica para furação de

asas.

Figura 2. Plataforma robótica móvel



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Fonte: ALEMA, 2014

Este sistema oferece um conceito modular, com a capacidade de usar vários efetuadores com

troca automática de ferramentas, a fim de possibilitar a troca de brocas em único sistema. O

sistema elétrico da plataforma permite furar em uma única vez e instalar uma vasta gama de

prendedores de forma automática, com precisão de + /-0.5mm e força de aperto até 100 kg,

através de um sistema de visão para compensação e normalidade. O ponto chave do sistema é

um efetuador multi-função denominado MFEE (Multi Effector End Function), que fornece

uma flexibilidade completa para a plataforma. A Figura 3 ilustra o efetuador multi-função.

Figura 3. Efetuador multi-função

Fonte: ALEMA, 2014

2.3 Controle Estatístico de Processo (CEP)

Nas organizações constantemente há questionamentos se os resultados propostos estão sendo

alcançados. Neste caso temos várias maneiras de expressar esta questão: se os objetivos estão

sendo alcançados, se os clientes estão satisfeitos, se está havendo retorno do investimento, se



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o desempenho alcançado é suficiente para o crescimento, sobrevivência e competitividade da

organização (ROCHA; SOUZA; BARCELLOS, 2012).

Responder a estas questões de uma forma objetiva e precisa não é uma tarefa fácil, pois é

necessário um gerenciamento eficaz e que muitas vezes não reflete a realidade de muitas

empresas, sendo assim, os resultados acabam sendo comprometidos, e o desempenho real é

desconhecido. Basicamente é necessário o uso de ferramentas para auxiliar na detecção de tais

discrepâncias (SAMOHYL, 2009).

No período compreendido entre os anos de 1930 e 1950, ao tempo em que se estabeleciam

transformações no âmbito da tecnologia dos regimes produtivos, consolidava-se o Controle

Estatístico da Qualidade, sendo esse introduzido no ano de 1924 como resultado dos esforços

do Dr. Walter A. Shewart, em sua atuação profissional na Bell Telephone Laboratories, a

quem também se atribui a criação do ciclo PDCA (Plan, Do, Check, Act), posteriormente

divulgado por Edwards Deming. (EXLER: LIMA, 2012).

Enquanto avaliava os dados de um dos processos de seu laboratório no Bell Telephone

Laboratories, o Dr. Walter A. Shewhart durante a década de 20 foi responsável pela primeira

formalização da distinção entre variação controlada e não controlada, anos mais tarde

denominada de causas comuns e causas especiais. Coube ao Dr. Shewhart o desenvolvimento

de uma ferramenta simples, entretanto poderosa, para a separação de ambos os tipos de

causas. A essa ferramenta foi atribuído o nome de Carta de Controle. Um processo está

submetido a variações, que são oriundas de dois tipos de causas: as comuns e as especiais. As

causas comuns (aleatórias) são aquelas que pertencem naturalmente ao processo e afetam

todos os seus fatores. Elas possuem origens e valores individuais que diferem entre si, mas se

combinadas formam certo padrão, seguindo uma distribuição de probabilidade. Não podem

ser removidas sem que haja uma mudança sistêmica e, muitas vezes custosa, no processo. Já

as causas especiais (atribuíveis) possuem um comportamento totalmente imprevisível, com

resultados discrepantes se comparadas às causas comuns e para que sua remoção seja feita

não é preciso uma mudança sistêmica do processo, exigindo menores investimentos

(OAKLAND, 2003).



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O CEP é uma ferramenta que aplica técnicas estatísticas no monitoramento de processos e

tem seu foco nas variabilidades anormais, causadas pelas assim chamadas causas especiais ou

incomuns. O objetivo primário do CEP é assegurar que o processo funcione sempre sob

controle estatístico (repetindo sua variabilidade inerente). Esse objetivo é alcançado por meio

da eliminação de todas as causas especiais de variação (NEVES et al., 2009).

A técnica de controle estatístico de processo (CEP) é uma das ferramentas estatísticas que

permite a visualização de anomalias no processo e consequente melhoria da qualidade e

produtividade nas empresas, desenvolvido e largamente aplicado em linhas de produção de

produtos manufaturados (SILVA et al., 2013).

Com isso, o CEP consiste no controle das causas comuns de variação e na eliminação das

causas especiais de variação de forma a manter o processo dentro de limites de variação

considerados aceitáveis. Esse controle é feito por meio dos gráficos de controle. Um gráfico

de controle comum apresenta uma Linha Central (LC), que corresponde ao valor médio da

característica da qualidade que está sendo avaliada; Limite Superior de Controle (LSC) e

Limite Inferior de Controle (LIC). Para que um processo seja considerado sob controle

estatístico é necessário que os pontos representativos das amostras estejam dentro dos limites

de controle e sejam distribuídos de forma aleatória, sem representar qualquer tipo de

tendência. Com isso, caso algum ponto esteja fora dos limites ou o conjunto desses pontos não

se comporte de forma aleatória em relação à linha central, o processo é considerado fora de

controle estatístico e a causa que gerou tal perturbação precisa ser encontrada e eliminá-la por

meio de ferramentas e métodos de controle e melhoria da qualidade (EVANS ,1994).

A figura abaixo representa um exemplo de gráfico de controle.

Figura 4. Exemplo de gráfico de controle



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Fonte: MITUTOYO, 2014

Sem a menor dúvida, a melhor maneira de analisar uma série de dados é graficamente. A

tentativa de ver padrões e tendências em uma relação de dados escritos em uma tabela,

certamente resultará em fracasso especialmente quando o número de dados é grande.

(SAMOHYL, 2010).

Uma representação gráfica da distribuição de frequências dos resultados de medições, cuja

largura representa o intervalo em que a faixa dos valores observados (máximo - mínimo) é

dividida, e cuja altura representa o número de observações ocorridas em cada intervalo

(frequência). Fornece uma visão geral da média e do grau de dispersão. Quando os pontos

impressos são distribuídos simetricamente em uma curva em forma de sino, denominamos de

distribuição normal (MITUTOYO, 2014).

Os gráficos do tipo sino-curva, como histogramas ou gráficos de capacidade do processo,

mostra um resumo instantâneo dos resultados. A figura 5 ilustra este tipo de gráfico.

Figura 5. Exemplo de histograma



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Fonte: MITUTOYO, 2014

3. CEP aplicado na furação automática com uso de robôs

Conforme Mantelatto (2008), o CEP conta também com o apoio de técnicas que são

consideradas importantes tais como:

Amostragem (inspeção e planos de amostragem);

Folhas de verificação;

Histograma / gráficos;

Diagrama de Pareto;

Diagrama de causa e efeito / 6M / Espinha de peixe (Ishikawa)

Estratificação;

Gráficos de controle (gráficos de Shewhart);

Diagrama de correlação.

Neste estudo, o controle estatístico de processo (CEP) será aplicado no processo de furação de

uma união composta de dois materiais metálicos (pacote titânio + alumínio), onde utilizando

uma plataforma robótica automatizada, pretende-se garantir os requisitos de qualidade e

melhorar a produtividade e padronização do processo.



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Além disso, os resultados obtidos serão utilizados para futuros desenvolvimentos e melhorias,

de modo a promover a capacitação da manufatura e pessoas envolvidas e proporcionar lições

aprendidas para novas soluções.

3.1 Motivação e novidade deste documento

Com base nas tendências crescentes de soluções automatizadas para ambiente de produção de

aeronaves, a motivação deste trabalho foi a indisponibilidade de informações relativas a este

assunto. A novidade considerada nesse trabalho é a realização de um estudo especifico de

CEP aplicado na furação de uma junção de 02 materiais diferentes (pacote titânio + alumínio),

onde robôs são utilizados no processo especificado.

3.2 Materiais

O projeto de aeronaves tem mudado principalmente nos últimos anos, onde a introdução de

novos materiais tem aumentado em grande escala. Uma dificuldade especial encontra-se na

furação de pacotes feitos de materiais diferentes, ou seja, alumínio, titânio, aço inoxidável ou

CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic). De fato, como o processo tem que furar esses

pacotes de materiais durante uma única operação, ou seja, em um passo somente, as condições

tecnológicas e ferramentas de corte são um compromisso e desafio a ser alcançado. Como

grandes avanços têm sido realizados nas últimas décadas referente a concepção e elaboração

de novos materiais, suas utilizações tem crescido. Na década de 80, os materiais compósitos

representavam menos de 5% da estrutura global do avião, hoje já atingiram quase 50%

(LAPORTE; CASTELBAJAC, 2012).

Entretanto, essa combinação de materiais dificulta as operações de montagem e operações de

furação, especialmente. Devido às suas grandes dimensões e formas complexas, as peças a

serem montadas requerem fixação e furacão conjunta de forma simultânea (RAMULU,

BRANSON, KIM, 2001).

Como conseqüência disso, o processo de furacão de pacotes de materiais tem tornado comum

e uma operação generalizada na indústria aeroespacial. Sendo assim, os pacotes constituídos

de titânio (Ti 6AL-4V) + liga de alumínio (7050-T7451) são normalmente utilizados em

montagens estruturais de asas de aviões. Nesse caso especifico onde o titânio tem a função de

reforço das longarinas, as junções medem em torno de 12 mm de espessura ao longo da



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envergadura da asa. A Figura 6 ilustra a condição definida pelo projeto estrutural em que o

processo precisa garantir os parâmetros de furacão conforme as exigências de qualidade.

Figura 6. Pacote titânio + alumínio

Fonte: autor

3.3 Método

Para a característica "diâmetro do furo", deve ser fornecido um gráfico de controle para

avaliar a estabilidade do processo. Esta carta vai traçar uma quantidade mínima de 30 furos

em ordem cronológica de execução. Se o processo é capaz, será obtido um valor aceitável de

Cp e Cpk ≥ 2,00.

A fim de se avaliar a capacidade do processo, é necessário seguir alguns procedimentos. Estes

procedimentos são descritos abaixo como guia.

Estabilidade: essa análise é necessária para avaliar se um processo pode mudar a sua média e

dispersão ao longo do tempo ou não. Para todas as características descritas, devem ser usados

gráficos de controle para medidas individuais. A Figura 7 representa essa característica.

Figura 7. Gráfico de valores individuais

Fonte: adaptado internet



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O processo vai ser considerado estável se nenhum dos seguintes sinais é detectado no gráfico

de controle:

Controle limite de violação: pontos fora dos limites de controle;

A média de mudança: nove pontos seguidos um do mesmo lado da linha central;

Tendência: sete pontos na linha, tudo aumentando ou diminuindo e todos de forma

consecutiva.

Capacidade: esta análise avalia o quão bem a distribuição dos dados se encaixa nos limites de

especificação. O índice usado para avaliar a capacidade é Cpk e o processo será considerado

capaz se: Cpk ≥ 2.

4. Resultados

Aqui, apresentaremos os resultados obtidos no processo de furação automática da junção

composta mostrada anteriormente, onde 02 materiais metálicos (titânio + alumínio) formam o

pacote a ser furado com a plataforma robótica móvel. Essa abordagem tem como propósito

promover a difusão do uso de robôs no ambiente de fabricação aeronáutica, além de mostrar

as vantagens competitivas que podem ser alcançadas com a automação na produção de aviões.

Os dois primeiros gráficos contidos na Figura 8, mostram os valores obtidos individualmente

durante o processo de furacão automática, num total de 76 furos realizados pelo robô.

Figura 8. Gráficos de valores individuais e faixa de movimentação



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Fonte: Gerado pelo software Minitab

Os valores observados para as 25 últimas medições estão mostradas no gráfico da Figura 9.

Figura 9. Gráfico de dispersão dos 25 últimos valores


A Figura 10 mostrada a seguir, conhecida como histograma, distribuição de frequências ou

diagrama das frequências, é uma representação gráfica na qual um conjunto de dados é

agrupado em classes uniformes e a distribuição normal representada.



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Figura 10. Histograma e distribuição normal


O gráfico da Figura 11 representa a estabilidade do processo em questão. A capacidade do

processo é uma medida de desempenho do processo em relação ao cumprimento das

especificações do produto.

Os índices são:

Cp e Cpk – Capacidade Potencial do Processo;

Pp e Ppk – Desempenho do processo.

É primordial que se garanta que o processo é capaz e após esta fase controlar o processo.



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Figura 11. Capacidade e desempenho do processo


5. Conclusão

O atendimento aos requisitos do processo de furação pode ser demonstrado pela utilização de

técnicas estatísticas. Neste trabalho, utilizou-se o controle estatístico de processo (CEP) para

demonstrar o desempenho do processo de furação quando o uso de robôs é aplicado.

O objetivo principal do uso do CEP é atingir um nível de aceitação e qualidade excelente,

voltado continuamente para a melhoria do processo. Os conceitos e as técnicas estatísticas são

importantes por possibilitar uma visão de produzir sempre com qualidade, que permita a

motivação e a cooperação de todos na busca da melhoria contínua de todo o processo.

Nesse contexto de aplicação, observou-se a possibilidade do uso de cartas de controle em

situações em especificas de furação automática, onde um pacote duplo de materiais diferentes

é processado.

No geral, o processo de furação automática através de robôs apresenta estabilidade estatística

conforme visualizado nos gráficos e comentários descritos abaixo:

No gráfico de valores individuais pode-ser observar uma estabilidade do processo

dentro dos limites de especificação (LIC e LSC), com exceção de um único ponto



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isolado acima do limite superior por motivo de quebra de ferramenta durante o

processo. Como a ocorrência foi pontual e identificada, isso não foi representativo;

Já no gráfico de movimentação, é visível o deslocamento de 02 pontos em função do

ponto isolado que gerou um deslocamento maior entre os furos adjacentes. Conforme

mencionado no tópico anterior, isso ocorreu pela quebra de ferramenta. Sendo assim, a

Engenharia de Qualidade assegura e valida essa carta de controle;

A dispersão apresenta uma estabilização no processo de furação realizada por robôs,

visto que os 25 pontos ficam em torno da nominal;

A distribuição normal demonstra a robustez do processo por 02 motivos:

a) Barras do histograma estarem centralizadas;

b) Valores obtidos com variação menor em relação aos limites de controle.

Finalmente, conclui-se que os resultados obtidos no processo automático com robôs é capaz.

Isso pode ser assegurado pelos resultados obtidos e apresentados nas cartas de controle, onde

a capacidade e desempenho do processo (Cpk e Ppk) de furação demonstra níveis superiores

aos valores requeridos para qualificação do processo, ou seja ≥ 2.

Além dos ganhos em qualidade, a aplicação automática proporciona outros ganhos tais como:

aumento de produtividade, padronização, ergonomia, limpeza, manutenção, mão-de-obra e

inovação tecnológica.

NOTA: os ganhos tangíveis não foram contabilizados nesse estudo.

Sendo assim, fica evidenciado que a aplicação de robôs no ambiente de manufatura

aeronáutica, traz inúmeros ganhos de competitividade para o negócio da empresa.

Referências

EXLER, R. B.; LIMA, C. J. B. Controle Estatístico de Processos (CEP): Uma Ferramenta para Melhoria da

Qualidade. ReAC – Revista de Administração e Contabilidade. Faculdade Anísio Teixeira (FAT), Feira de

Santana-Ba, 2012, v. 4, n. 3, p. 78-92.

U.S. ROBOTICS roadmap. From Internet to Robotics. 2013 edition.



17

SAMOHYL, R. Controle Estatístico de Processo e Ferramentas da Qualidade. Gestão da Qualidade, 2010, teoria

e casos. 36 páginas.

JEFFERSON, T. G. et al. Review of Reconfigurable Assembly Systems Technologies for Cost Effective Wing

Structure Assembly. SAE Aerotech International Publications, Montreal, Canada, 2013.

BROETJE Automation. Integrated Section Assembly Cell. 2014. Disponível em: < http://www.broetje-

automation.de/en/solutions-customer-benefit/equipment/automated-assembly/drilling-fastening/race/>. Acesso

em: 18 Abr. 2014.

ALEMA Automation. Robotic Mobile Platform. 2014. < http://www.alemaauto.fr/index.php/en/solutions-

automatisation/plateforme-robotique-mobile-.html > Acesso em: 18 Abr. 2014.

ROCHA, A.R.C.; SOUZA, G.S.; BARCELLOS, M.P. Medição de software e controle estatístico de processo.

2012. Paginas 6-232.

SAMOHYL, R. W. Controle estatístico de qualidade. 2009.

SILVA, T. A. et al. Utilização do controle estatístico de processo na avaliação de uma estação de tratamento de

Efluente Agroindustrial. 2013.

NEVES, J. F. et al. Controle estatístico de processos. 2009. Página 17.

OAKLAND, J. S. Statistical Process Control. 5th Edition. 2003.

EVANS, J. R. Introduction to Statistical Process Control. Fundamentals of Statistical Process Control. American

Management Association. 1994. 168 pages.

MITUTOYO. Controle estatístico do processo CEP. 2014. Página 16.

MANTELATTO, M. A. M. Utilização do controle estatístico de processo na unidade de produção e

desenvolvimento de derivados de soja. 2008.

LAPORTE, S.; CASTELBAJAC, C. De. Major Breakthrough in Multi Material Drilling, Using Low Frequency

Axial Vibration Assistance. SAE Aerospace Manufacturing and Automated Fastening Conference & Exhibition,

Dallas, United States. 2012.

RAMULU, B. K. Study on the Drilling of Composite and Titanium stacks. Composite Structures. 2001. Pages:

67-77.

http://www.broetje-automation.de/en/solutions-customer-benefit/equipment/automated-assembly/drilling-fastening/race/

http://www.broetje-automation.de/en/solutions-customer-benefit/equipment/automated-assembly/drilling-fastening/race/

http://www.alemaauto.fr/index.php/en/solutions-automatisation/plateforme-robotique-mobile-.html

http://www.alemaauto.fr/index.php/en/solutions-automatisation/plateforme-robotique-mobile-.html

controle estatÍstico de processo (cep) aplicado...

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