ERICH HAUSCH

Sistemtica de desenvolvimento para projeto de produtos com qualidade

dimensional na indstria automobilstica.

So Paulo

2009

ERICH HAUSCH

Sistemtica de desenvolvimento para projeto de produtos com qualidade

dimensional na indstria automobilstica.

Trabalho de concluso de curso apresentado

Escola Politcnica da Universidade de So Paulo

para obteno do Ttulo de Mestre Profissional em

Engenharia Automotiva.

rea de Concentrao:

Engenharia Automotiva

Orientador:

Prof. Dr. Paulo Carlos Kaminski

So Paulo

2009

I

FICHA CATALOGRFICA

Hausch, Erich

Sistemtica de desenvolvimento para projeto de produtos com qualidade dimensional na indstria automobilstica / E. Hausch. -- So Paulo, 2009.

90 p.

Dissertao (Mestrado) - Escola Politcnica da Universidade de So Paulo. Departamento de Engenharia Mecnica.

1. Indstria automobilstica (Projeto) 2. Produtos (Controle; Dimensionamento) 3. Montagem do produto 4. Controle da qua- lidade 5. Produtos novos) I. Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento de Engenharia Mecnica II. t.

II

DEDICATRIA

minha esposa e amiga Tatiana, e aos meus filhos, Joao e Beatriz razo de minha busca pelo crescimento e evoluo profissional e pessoal. Aos meus pais, Erich e Maria Luiza por tudo o que me proporcionaram e exemplo de dedicao.

III

AGRADECIMENTOS

Agradeo a Deus por me dar fora e sade durante a elaborao do trabalho. minha esposa Tatiana, pela pacincia e apoio durante meus perodos de ausncia. Aos meus pais, Erich e Maria Luiza por todo o apoio e incentivo. Aos amigos, profissionais e a empresa pesquisada pelo apoio na execuo do trabalho. Ao Prof. Dr. Paulo Carlos Kaminski pela competncia no processo de orientao.

IV

RESUMO

A definio das caractersticas dimensionais de um produto representa um desafio

no desenvolvimento de projetos na indstria automobilstica devido a sua

complexidade construtiva, onde diversos componentes oriundos de diferentes reas

de desenvolvimento e fornecedores devero interagir entre si na forma de um

produto final. Entende-se por caractersticas dimensionais as relacionadas a

tolerncias, folgas, encaixes, ajustes entre peas, medidas de restrio em

desenhos de produto e cartas de controle. Para possibilitar que o produto seja

montado sem a necessidade de ajustes adicionais e dentro do tempo especificado

para a sua montagem, necessrio que todas estas caractersticas tenham sido

especificadas, verificadas e atestadas nas peas unitrias e nos conjuntos que elas

iro compor. Este trabalho prope uma sistemtica que possibilite identificar, avaliar,

definir e controlar as caractersticas dimensionais no desenvolvimento de um novo

produto, desde as fases iniciais do projeto at sua fabricao em srie, fazendo uso

de diferentes ferramentas e conceitos de anlise de tolerncias existentes. Esta

sistemtica exemplificada a partir da aplicao a dois componentes

automobilsticos: lanterna traseira e frontend.

Palavras chave: Anlise de tolerncias; Variabilidade; Montagens deformveis;

Projeto seis sigma; Desenvolvimento dimensional; Montabilidade.

V

ABSTRACT

The product dimensional features represents a challenge to the product development

process in the automotive industry due to their constructive complexity where many

components from different development areas and suppliers will have to interact as

an unique final product. Dimensional features can be understood as ones related to

tolerances, gaps, fittings, adjustments, restraint measures in product drawing and

control charts. To enable product assembly with no need of additional adjustment

and within the assembly cycle time is necessary that all those characteristics have

been specified, verified, and certified in individual components and in the assemblies

they will compose. This work proposes a systematic to identify, evaluate, define and

control the product dimensional features in a new product development, from the

initial phase until the serial production, making use of different development tools and

existing tolerance analysis concepts. This systematic is exemplified with the

application in two automotive cases: backlight and Frontend.

Key words: Tolerance analysis, variability, compliant assemblies, dimensional

management, assemblability.

VI

SUMRIO

RESUMO............................................................................................................. IV

ABSTRACT........................................................................................................... V

SUMRIO............................................................................................................. VI

LISTRA DE ILUSTRAES................................................................................. X

LISTA DE TABELAS............................................................................................. XIII

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS................................................................ XIV

1. INTRODUO................................................................................................... 1

1.1 Objetivos .............................................................................................. 2

1.2 Organizao............................................................................... .......... 3

2. DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS E PROCESSOS NA INDSTRIA

AUTOMOBILSTICA.............................................................................................. 4

2.1 Desenvolvimento de produtos.............................................................. 4

2.1.1 Projeto do produto................................................................. 4

2.1.2 Fabricao de prottipos....................................................... 7

2.1.3 Liberao para fabricao de ferramentas............................ 8

2.2 Desenvolvimento de processos............................................................ 8

2.2.1 Manufatura enxuta e o planejamento dimensional................ 8

2.2.2 Influncia no tempo de fabricao......................................... 9

2.2.3 Influncia das caractersticas dimensionais na qualidade

do produto.............................................................................. 11

2.3 Premissas de projeto de produto para o processo............................... 12

2.4 Pontos de referncia para o processo.................................................. 12

2.5 Relaes funcionais.............................................................................. 14

2.6 Fase de lanamento.............................................................................. 14

3. FERRAMENTAS DE ANLISE DIMENSIONAL NO DESENVOLVIMENTO DE

PRODUTOS E PROCESSOS............................................................................... 18

VII

3.1 Conceitos e ferramentas de avaliao dimensional.............................. 18

3.1.1 Variabilidade............................................................................18

3.1.2 Controle estatstico de processo............................................. 20

3.1.3 Capacidade de processos, CP e CPK.................................... 20

3.1.4 Tolerncias.............................................................................. 23

3.1.5 Liguagens cartesiana e geomtrica de representao e

identificao de tolerncias.............................................................. 24

3.1.5.1 Linguagem geomtrica.............................................. 24

3.1.5.2 Linguagem cartesiana................................................ 25

3.1.6 Tolerncias de dimenso e posio ....................................... 27

3.1.7 A zona de tolerncia de posio cartesiana e cilndrica.......... 27

3.2 Analises de tolerncias............................................................... .......... 28

3.2.1 Cadeia de tolerncias.............................................................. 28

3.2.2 Anlise de tolerncias e sntese de tolerncias...................... 29

3.2.3 Tipos de anlise de tolerncias............................................... 30

3.2.3.1 Anlise pelo pior caso................................................ 30

3.2.3.2 Anlise estatstica...................................................... 31

3.2.3.3 Anlise em um grau de liberdade.............................. 33

3.2.3.4 Anlise nos trs graus de liberdade........................... 33

3.2.4 Fator geomtrico..................................................................... 34

3.2.5 Anlise de sensibilidade.......................................................... 34

3.2.6 Montagens deformveis.......................................................... 35

3.2.6.1 Montagem funcional................................................... 35

3.3 Processo de anlise de tolerncias...................................................... 37

3.4 Consideraes...................................................................................... 39

4. SISTEMTICA DE DESENVOLVIMENTO DIMENSIONAL APLICVEL AO

PROJETO AUTOMOBILSTICO............................................................................ 41

4.1 Desenvolvimento dimensional.......................................................... 41

4.2 Identificao e avaliao das interfaces........................................... 43

4.2.1 Avaliao de montabilidade..................................................... 44

4.2.2 Avaliao da estabilidade dimensional.................................... 44

VIII

4.2.3 Compensao de variaes .................................................. 44

4.2.4 Viabilidade de ajustes.............................................................. 45

4.3. Desenvolvimento dimensional na rea de qualidade........................... 46

4.4. Desenvolvimento dimensional na fase de prottipos .......................... 47

4.5 Processo de desenvolvimento dimensional......................................... 47

5. EXEMPLOS DE APLICAO DO PROCESSO DE DESENVOLVIMENTO

DIMENSIONAL.

5.1 Lanterna da tampa traseira................................................................... 49

5.1.1 Aplicao do conceito desenvolvimento dimensional ............ 49

5.1.1.1 Identificao de premissas de qualidade .................. 50

5.1.1.2 Conceito de produto................................................... 50

5.1.1.3 Conceito de processo................................................ 52

5.1.1.4 Processo de anlise de tolerncias........................... 53

5.1.1.5 Referncias de processo ......................................... 54

5.1.1.6 Cadeia de tolerncias ............................................ 56

5.1.1.7 Aplicao do software de anlise de tolerncias em

uma dimenso ...................................................................... 58

5.1.1.8 Aplicao do software de anlise de tolerncias

em trs dimenses ................................................................ 60

5.1.1.9 Anlise de montagens deformveis........................... 61

5.1.1.10 Aplicao das aes no projeto............................... 62

5.1.1.11 Avaliao de interfaces............................................ 62

5.1.2 Descrio dos problemas de montagem................................. 63

5.1.3 Correlao entre problemas avaliados na fase de projeto e

produo........................................................................................... 65

5.2 Frontend................................................................................................ 66

5.2.1 Aplicao do conceito desenvolvimento dimensional ............ 66

5.2.1.1 Identificao de premissas de qualidade .................. 67

5.2.1.2 Conceito de produto................................................... 68

IX

5.2.1.3 Conceito de processo................................................ 68

5.2.1.4 Processo de anlise de tolerncias........................... 69

5.2.1.5 Referncias de processo........................................... 71

5.2.1.6 Cadeia de tolerncias................................................ 72

5.2.1.7 Aplicao do software de anlise de tolerncias

em uma dimenso................................................................. 74

5.2.1.8 Aplicao do software de anlise de tolerncias

em trs dimenses .............................................................. 75

5.2.1.9 Anlise de montagens deformveis........................... 76

5.2.1.10 Aplicao das aes no projeto............................... 76

5.2.1.11Avaliaode interfaces.............................................. 77

5.2.2 Descrio dos Problemas de montagem................................. 79

5.2.3 Correlao entre problemas avaliados na fase de projeto

e produo..................................................................................... 79

5.3 Documentos de controle.................................................................. 80

5.4 Verificao de conformidade............................................................ 81

5.5 Consideraes.................................................................................. 83

6. CONCLUSO ...................................................................................................85

6.1 Recomendao para futuros trabalhos............................................ 86

7. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS.................................................................. 87

X

LISTA DE ILUSTRAES

Figura 2.1 Sequncia simplificada de desenvolvimento de produtos

automotivos............................................................................................................04

Figura 2.2 Principais grupos de desenvolvimento de componentes

automobilsticos..................................................................................................... 05

Figura 2.3 Detalhamento das pricipais reas de desenvolvimento de

produtos.................................................................................................................06

Figura 2.4 Envolvimento de outros departamentos no desenvolvimento de

produto................................................................................................................... 07

Figura 2.5 Quantidade de horas por veculo: carroceria, pintura, acabamento,

chassis, e montagem final..................................................................................... 10

Figura 2.6 Elementos bsicos de construo de uma carroceria veicular........ 15

Figura 3.1 Representao grfica de desvio e variao................................... 21

Figura 3.2 Representao de referncias e tolerncias pelo mtodo

geomtrico............................................................................................................. 24

Figura 3.3 Representao grfica de tolerncias de forma, orientao e

posio...................................................................................................................25

Figura 3.4 Sistema global de coordenadas....................................................... 26

Figura 3.5 Representao de referncias e tolerncias pelo mtodo

cartesiano.............................................................................................................. 27

Figura 3.6 Zona de tolerncia de posio cartesiana e geomtrica.................. 28

Figura 3.7 Cadeia de tolerncias....................................................................... 29

Figura 3.8 Anlise de tolerncias e sntese de tolerncias............................... 30

Figura 3.9 Somatria de tolerncias pelo pior caso.......................................... 31

Figura 3.10 Cadeia de tolerncias estatstica...................................................... 32

Figura 3.11 Aumento do campo de tolerncia devido ao fator geomtrico......... 34

Figura 3.12 Anise de sensibilidade.................................................................... 35

Figura 3.13 Fluxograma do processo de anlise de tolerncias......................... 39

Figura 4.1 Fluxograma do processo de planejamento dimensional.................. 42

Figura 4.2 Fluxograma do processo bsico de avaliao de interfaces............ 46

Figura 4.3 Fluxograma do processo geral de desenvolvimento

XI

dimensional no projeto automobilstico................................................................. 48

Figura 5.1 Incio da sistemtica de desenvolvimento dimensional........................ 49

Figura 5.2 Regio de ajuste e vedao da lanterna..........................................50

Figura 5.3 Elementos construtivos da tampa traseira ...................................... 51

Figura 5.4 Representao do dispositivo de geometria da tampa traseira ...... 52

Figura 5.5 Processo de anlise de tolerncias na sistemtica de

Desenvolvimento dimensional............................................................................... 53

Figura 5.6 Cota a ser analisada........................................................................ 53

Figura 5.7 Sequncia de processo.................................................................... 54

Figura 5.8 Referncias para formao do conjunto folhas externas................. 55

Figura 5.9 Referncias para montagem do alojamento da lanterna.................. 55

Figura 5.10 Referncias para formao do conjunto tampa................................ 56

Figura 5.11 Referncias para montagem do alojamento da lanterna.................. 56

Figura 5.12 Cadeia de tolerncias....................................................................... 57

Figura 5.13 Anlise de tolerncias em um grau de liberdade............................. 59

Figura 5.14 Anlise de tolerncias em um grau de liberdade, com dispositivo de

geometria............................................................................................................... 60

Figura 5.15 Resultados da anlise de tolerncias em trs dimenses............... 60

Figura 5.16 Visualizao da variao entre lanterna e tampa com anlise em trs

dimenses..............................................................................................................61

Figura 5.17 Avaliao de interfaces na sistemtica de desenvolvimento

Dimensional........................................................................................................... 63

Figura 5.18 Incio do processo de desenvolvimento dimensional....................... 67

Figura 5.19 Regio de ajuste entre farol e pra-lamas....................................... 67

Figura 5.20 Elementos construtivos do veculo e frontend................................. 68

Figura 5.21 Montagem do conjunto frontend...................................................... 69

Figura 5.22 Processo de anlise de tolerncias na sistemtica de

desenvolvimento dimensional............................................................................... 69

Figura 5.23 Cota a ser analisada......................................................................... 70

Figura 5.24 Sequncia de processo.................................................................... 70

Figura 5.25 Referncias para montagem dos pra-lamas.................................. 71

XII

Figura 5.26 Referncias de montagem dos elementos do frontend.................... 72

Figura 5.27 Referncias de montagem do frontend na carroceria...................... 72

Figura 5.28 Cadeia de tolerncias....................................................................... 73

Figura 5.29 Anlise de tolerncias em um grau de liberdade............................. 74

Figura 5.30 Resultados da anlise de tolerncias em trs dimenses............... 75

Figura 5.31 Visualizao da variao entre farol e pra-lamas com anlise em

trs dimenses.......................................................................................................76

Figura 5.32 Avaliao de interfaces na sistemtica de desenvolimento

dimensional............................................................................................................ 77

Figura 5.33 Aplicao de aes dimensionais nos documentos de controle...... 81

Figura 5.34 Verificao de conformidade na sistemtica de desenvolvimento

dimensional............................................................................................................ 82

Figura 5.35 Correlao entre clculos em uma e trs dimenses com medies

na linha de montagem para o exemplo da lanterna.............................................. 83

Figura 5.36 Correlao entre clculos em uma e trs dimenses com medies

na linha de montagem para o exemplo do frontend.............................................. 84

XIII

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 Relao entre valores de CP e quantidade de defeitos por milho

............................................................................................................................... 22

Tabela 3.2 Correlao entre valores de tolerncias geomtricas e

cartesianas.............................................................................................................28

Tabela 5.1 Avaliao de interfaces.................................................................... 64

Tabela 5.2 Correlao entre problemas previstos na anlise de interfaces e

identificados na montagem.................................................................................... 66

Tabela 5.3 Avaliao de interfaces.................................................................... 78

Tabela 5.2 Correlao entre problemas previstos na anlise de interfaces e

identificados na montagem.................................................................................... 80

XIV

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

RPS Reference point system.

GD&T Geometrical design & tolerances.

CP ndice de capacidade de processos, considerando a variao.

CPK ndice de capacidade de processos, considerando a variao e desvio.

1

1. INTRODUO

Para que um negcio maximize o valor para acionistas ele precisa equilibrar

satisfao do cliente e foras competitivas com outras consideraes sobre custos e

resultados (COHEN; GRAHAN, 2002). Para empresas do ramo automobilstico este

equilbrio representa produtos com qualidade, processos estveis, custos

operacionais adequados e, por consequncia, bons resultados financeiros.

Segundo Fallu (2004), a competitividade de custos de uma empresa em particular

depende de muitos fatores, e o desenvolvimento de produtos exerce grande

influncia sobre como estes custos podem se apresentar.

O aumento da competitividade mundial pelo crescimento de marcas anteriormente

sem expresso e sua entrada em mercados antes no explorados, obriga as

montadoras a realizar lanamentos de produtos em perodos de desenvolvimento

mais reduzidos. Hammet, Wahl e Baron (1999) acrescentam que conforme o ciclo de

vida dos produtos se encurta, montadoras colocam grande nfase no

desenvolvimento de novos produtos. Estes esforos tm levado a reduo de custos

e prazos de entrega. O principal direcionamento destas melhorias tem sido uma

melhor integrao dos recursos de desenvolvimento nos processos de

desenvolvimento de produto e design atravs de prticas como engenharia

simultnea, design para manufatura e parceria com fornecedores.

A necessidade cada vez maior de diferenciao pela inovao e qualidade tem

elevado o nvel de qualidade dos produtos obrigando as montadoras a trabalhar com

estilos mais arrojados e complexos sob o ponto de vista de manufaturabilidade,

folgas com dimenses nominais e tolerncias cada vez mais apertadas e variaes

dimensionais de componentes sob controle.

Como consequncia, uma enorme presso exercida sobre departamentos de

engenharia, cada vez mais enxutos sob o ponto de vista de disponibilidade de mo

2

de obra, constantemente submetidos a modificaes tardias de produto devido a

mudanas de mercado ou lanamentos por parte da concorrncia.

O crescimento expressivo apresentado por empresas que adotaram sistemas de

produo enxuta, tornou fundamental sua implementao sob o ponto de vista de

competitividade. Womack et. al. (1998), descreveu os princpios da manufatura

enxuta: Perfeio, Fluxo, Produo Puxada e Ciclo. Ao se avaliar a relao entre

qualidade dimensional e os princpios descritos, possvel perceber sua direta

relao, devido ao efeito no tempo de montagem e retrabalhos.

Em sua anlise dos processos de engenharia no desenvolvimento de produtos de

empresas automobilsticas, Fallu (2004) expe que na tentativa de melhorar o

processo de desenvolvimento de produto e a qualidade da engenharia, muitas

empresas automobilsticas implementaram e continuam a implementar numerosas

iniciativas visando a melhoria da disciplina dentro do processo de engenharia, na

esperana de atender custos, prazos e objetivos de satisfao e qualidade.

Neste contexto se insere o conceito de desenvolvimento dimensional como

ferramenta para auxiliar o desenvolvimento de produtos e processos de maneira

sistmica e disciplinada com foco na qualidade dimensional. Planejamento que de

grande importncia e para qualidade final de produtos e eficincia operacional das

empresas automobilsticas.

1.1 Objetivos

O objetivo deste trabalho propor uma sistemtica para possibilitar projeto de

produtos de maneira sistmica, com foco na qualidade dimensional. Entende-se por

qualidade dimensional todas as caractersticas dimensionais de peas unitrias e

conjuntos que possibilitem uma montagem da forma planejada, sem retrabalhos ou

ajustes adicionais no ambiente fabril. Para o consumidor final, qualidade dimensional

representa equipamentos com boa esttica, funcionando da forma adequada, sem

rudos ou quebras inesperadas.

3

1.2 Organizao

No primeiro captulo foi traado o cenrio de competitividade da indstria

automobilstica mundial sob os aspectos de qualidade, manufatura, desenvolvimento

de produtos e como o planejamento dimensional est inserido neste conceito. So

apresentados os objetivos, justificativa e a estrutura do trabalho.

No segundo captulo apresentado o processo de desenvolvimento de produtos e

processos na indstria automobilstica, e como o desenvolvimento das

caractersticas dimensionais est inserido neste processo.

O terceiro captulo apresenta o conhecimento necessrio e as tcnicas para anlise

de tolerncias. No seu final apresentada uma sistemtica para anlise de

tolerncias.

O quarto captulo apresenta o conceito de planejamento dimensional e um mtodo

de avaliao de interfaces. No final do captulo apresentada a sistemtica geral de

planejamento dimensional como integrao das ferramentas de anlises

dimensionais na indstria automobilstica.

O quinto captulo apresenta dois casos de aplicao da sistemtica de planejamento

dimensional no projeto de um produto automobilstico. O sexto captulo apresenta a

concluso e o stimo as referncias bibliogrficas.

4

2. DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS E PROCESSOS NA

INDSTRIA AUTOMOBILSTICA.

2.1 Desenvolvimento de produtos

2.1.1 Projeto do produto

O processo de desenvolvimento de produtos automobilsticos segue, de maneira

resumida, uma sequncia conforme indicado na figura 2.1. A partir de uma definio

de conceito e design externo, segue-se o detalhamento das caractersticas internas

como carroceria, motor, chassis e acabamento interno. Finalizadas estas fases,

liberada a fabricao de prottipos para testes do produto e avaliao fsica de suas

caractersticas de fabricao.

Figura 2.1 Seqncia simplificada de desenvolvimento de produtos automotivos.

5

Aps a concluso da fase de prottipos feita a liberao de fabricao das

ferramentas de produo de peas e dispositivos de processo.

As etapas de design e detalhamento no envolvem fabricao de peas, apenas

desenvolvimento de conceitos de produto e os desenhos para fabricao de

prottipos. Por ser uma fase inicial de desenvolvimento, deve-se decidir sobre

diferentes conceitos de projeto e fabricao com base nas premissas de projeto.

fundamental que neste perodo sejam definidos conceitos de produto que atendam

s exigncias de qualidade de fabricao e para o cliente final. Para isto, as

premissas de qualidade e histrico de produtos em fabricao devem estar

claramente especificadas.

Nesta fase comeam a trabalhar os grupos de engenharia simultnea, verificando o

projeto com relao viabilidade de fabricao e qualidade de conceitos de produto.

A figura 2.2 exemplifica os principais conjuntos e correspondentes reas envolvidas

no desenvolvimento de um novo conceito. Grupos de engenharia simultnea so

criados dentre outros motivos, para tentar resolver os problemas de processo e

produto de maneira integrada, com especialistas de diferentes reas da empresa

colocados em conjunto, para evitar falhas de desenvolvimento.

Figura 2.2 Principais grupos de desenvolvimento de componentes automobilsticos.

O produto automobilstico composto por diversos componentes correlacionados

entre si e cada elemento construtivo possuindo o seu ndice de variabilidade. A

somatria das variabilidades do produto final se no avaliada ou calculada pode

6

representar um problema crnico de fabricao resultando em um potencial

problema ao cliente interno como a manufatura, ou o cliente final que adquire o

produto. So exemplos destas falhas mecanismos com mau funcionamento, rudos,

infiltrao de gua e peas desajustadas.

Um grande fluxo de informaes tcnicas oriundas de diferentes reas e

departamentos com necessidades de viabilidades diferentes ou at mesmo

conflitantes deve convergir nos desenhos de produto. A figura 2.3 apresenta um

detalhamento das principais reas de desenvolvimento de produtos e as interfaces

de desenvolvimento.

Figura 2.3. Detalhamento das pricipais reas do desenvolvimento de produtos.

fundamental o estabelecimento claro das interfaces para definio de premissas e

registro de informaes entre as reas de desenvolvimento dos subsistemas,

envolvendo at mesmo fornecedores, pois todos os componentes devero interagir

entre si quanto ao desempenho de sua funo no produto final. A figura 2.4

exemplifica outros departamentos envolvidos no processo de desenvolvimento de

produtos.

7

A avaliao do produto na fases fases iniciais de desenvolvimento dependente da

orientao, nvel de instruo e mtodos do grupo para identificar registrar e resolver

problemas especficos de produto e processo. Uma sistemtica deve ser utilizada

para evitar uma discusso sobre conceitos de produto de forma aleatria, apenas

com base na experincia dos integrantes.

Figura 2.4. Envolvimento de outros departamentos no desenvolvimento de produtos.

Uma sistemtica de desenvolvimento das caractersticas dimensionais de produto

deve ser desenvolvida juntamente com um FMEA (failure mode and effect analysis)

de produto e/ou processo, para garantir que as aes identificadas sejam

implementadas no conceito ou desenho de produto.

2.1.2 Fabricao de prottipos

Na avaliao de prottipos possvel avaliar fisicamente conceitos de fabricao,

montagem e qualidade em conjunto com as reas de desenvolvimento responsveis.

Desta forma, diversos conceitos so aprovados com base na avaliao de

prottipos, por se tratar do primeiro produto fsico do projeto. importante salientar

que a avaliao de caractersticas dimensionais em prottipo, pode representar um

8

risco por se tratar de apenas um nico veculo. A avaliao de um prottipo no

possbilita avaliar o comportamento do produto em produo seriada, quando ele

comea sofrer efeitos da variabilidade dimensional de seus componentes. Seus

dispositivos de montagem no so os definitivos e, com frequncia, um veculo

prottipo extensamente retrabalhado at a concluso da sua montagem.

2.1.3 Liberao para fabricao de ferramentas

A partir da liberao de fabricao do ferramental, qualquer modificao de produto

vai representar maior complexidade e custos elevados devido a modificaes nas

ferramentas de fabricao do produto. Dependendo da sua complexidade, a

modificao pode comprometer os prazos de entrega de ferramental para a

fabricao seriada do produto.

Um conceito de produto est frequentemente associado ao desenvolvimento de

diversos componentes, ou seja, se um conceito no definido com a devida

profundidade, uma simples modificao de produto pode resultar na modificao de

diversos componentes, consumindo tempo de desenvolvimento e desperdiando-se

o tempo gasto com componentes j desenvolvidos.

Um pequeno perodo transcorre da liberao para o desenvolvimento de conceitos e

a concluso da fase de prottipos, quando o projeto se encontra prximo liberao

de ferramentas. Neste perodo, comum se avaliar diferentes alternativas de

produto e processo, buscando a melhor relao custo qualidade.

O tempo disponvel para avaliaes de manufaturabilidade fica, desta forma,

reduzido. fundamental que os mtodos e ferramentas de projeto estejam bem

especificados e sejam utilizados de maneira sistmica para se rastrear, avaliar e

definir conceitos de produto com relao a sua robustez para manufatura.

2.2 Desenvolvimento de processos

2.2.1 Manufatura enxuta e o planejamento dimensional

9

A introduo dos conceitos de manufatura enxuta com base nos comprovados

resultados de produtividade, obriga as empresas automobilsticas a planejar ou

atualizar seus novos processos seguindo as premissas de perfeio, fluxo, produo

puxada e ciclo. Para se atender a estas premissas, cada operao de montagem

deve ocorrer da forma planejada, respeitando-se sequncia de montagem,

movimentaes, sequncia de fixaes, tempo e qualidade final de montagem.

Uma operao de montagem mal sucedida devido dificuldade ou impossibilidade

encaixe entre peas, ou mesmo uma montagem cujos resultados de ajustes no

atendam s especificaes de produto vo gerar um retrabalho no momento da

operao ou, no pior dos casos, gerar retrabalhos em pontos posteriores da linha de

montagem.

A variao dimensional de componentes pode ser causada por diversos problemas,

tais como: instabilidade de processos que esto apresentando problemas de desvios

ou variabilidade excessiva, especificaes de produto muito apertadas e por

consequncia difceis de manufaturar, e conceitos que no prevem absoro de

variaes dimensionais resultando em dificuldade de ajuste ou problemas de

montabilidade.

2.2.2 Influncia no tempo de fabricao

Outro fator relevante para a produtividade de empresas automobilticas a reduo

do tempo de montagem. Grande ateno tem sido dada a eliminao de operaes

e movimentaes desnecessrias que nada agregam de valor ao produto.

10

Figura 2.5. Quantidade de horas por veculo: Carroceria, pintura, acabamento, chassis, e montagem final. (JP Morgan Harbour Conference, 2007)

A quantidade de horas por veculo um importante indicador de eficincia

operacional de uma montadora. Por meio de reconhecidos padres elaborados por

empresas de consultoria possvel comparar diferentes montadoras sob um mesmo

critrio. A figura 2.5 demonstra a reduo da quantidade de horas para montar um

veculo nos ltimos anos pelas maiores montadoras americanas na busca por

eficincia operacional.

Uma grande ateno dada na definio dos ciclos de trabalho, buscando-se uma

reduo de movimentaes desnecessrias e balaceamento das operaes de

forma a usar com mxima eficincia o tempo produtivo. O retrabalho gerado por uma

m especificao de produto ou processo exerce influncia direta no tempo de

montagem devido ao tempo adicional de ajuste e retrabalhos que requerem maior

tempo de mo de obra. O resultado um desbalanceamento do processo produtivo

e o tempo final de produo, com efeito na eficincia operacional da empresa.

Deming (1990) salienta que a melhoria da qualidade transforma o desperdcio de

homens-hora na fabricao de um bom produto e uma melhor prestao de servios.

O resultado uma reao em cadeia - custos mais baixos e melhor posio

competitiva.

11

necessrio que no momento de entrar em produo, as caractersticas

dimensionais do conjunto de componentes que compem o produto tenham sido

especificadas, avaliadas, detalhadas em desenho e atestadas com relao

manufaturabilidade por meio de simulaes na sua futura condio em processo.

Deming (1990), completa que o custo de retrabalho representa apenas uma parte do

custo provocado pela baixa qualidade. Baixa qualidade gera queda qualitativa e de

produtividade ao longo de toda a linha de produo, e alguns dos produtos

defeituosos acabam chegando s mos do consumidor.

2.2.3 Influncia das caractersticas dimensionais na qualidade do produto.

Aspectos de qualidade podem ser avaliados sob diferentes perspectivas e clientes.

Qualidade percebida pelo consumidor como design, acessrios, itens de conforto e

qualidade no percebida pelo consumidor que ser identificada apenas se o produto

apresentar alguma no conformidade, como mau funcionamento, quebras, rudos.

Para o cliente interno, qualidade de fabricao significa processos robustos com

capacidade de produzir produtos com repetibilidade dentro de especificaes

factveis de produto. cada vez maior a necessidade de produtos com baixa

variabilidade devido ao risco qualidade e a eficincia operacional de montadoras e

fornecedores. Conforme Deming (1990), a produtividade realmente aumenta com a

reduo da variabilidade.

A reduo de problemas de qualidade em campo, possibilita melhores resultados de

satisfao dos clientes com consequente melhora da percepo de qualidade do

consumidor perante a marca. Possibilita tambm, uma reduo de custos de

fabricao e uma maior flexibilidade para reagir com preos mais competitivos, de

acordo com o cenrio de mercado no qual est inserida a empresa.

A tentativa de se impor uma reduo de variabilidade pela especificao apertada de

caractersticas de produto far com que os responsveis pela manufatura

desenvolvam processos mais robustos, capazes e caros para se atender a

especificaes definidas. Por outro lado, se no houver um consenso sobre a

12

viabilidade do conceito, o resultado pode ser um retrabalho significativo durante o

ciclo de vida do produto.

2.3 Premissas de projeto de produto para o processo

O desenvolvimento dos processos produtivos se inicia quase ao mesmo tempo dos

conceitos iniciais de produto devido a necessidade de se analisar a viabilidade

tcnica de manufaturabilidade. A partir da avaliao dos desenhos ou modelo em

Clay, engenheiros de manufatura, principalmente das reas de estamparia e

armao de carrocerias, participam dos times de engenharia simultnea para dar

viabilidade a conceitos de design ou novos conceitos de montagem de carrocerias.

No muito diferente a realidade dos engenheiros responsveis pela rea de

montagem final, pois estes devem avaliar as caractersticas de modularizao e

viabilidade de conceito de componentes que sero montados na carroceria.

Apesar de inicial, esta fase crucial para o desenvolvimento de conceitos de

produtos para se avaliar e definir antes do incio dos desenhos, os conceitos de

produto e concepo do processo produtivo, possibilitando desta forma o projeto de

processos mais enxutos, flexveis e padronizados.

Apesar de totalmente interligado, o desenvolvimento do detalhamento das

caractersticas dos componentes internos do veculo segue um caminho diferente

dos externos, que tm envolvncia do estilo. Enquanto o design faz o

desenvolvimento e aprovao das caractersticas de superfcie do veculo, tais como

partes externas da carroceria, dimenses gerais, design do painel de instrumentos e

faris, os times de desenvolvimento ou em muitos casos os fornecedores, esto

fazendo o desenvolvimento das caractersticas intrnsecas do produto como

componentes internos, funcionais e estruturais do veculo. Definem tambm detalhes

como materiais, espessura e subdiviso de partes. A definio destas caractersticas

o que vai definir a condio de manufaturabilidade do produto.

2.4 Pontos de referncias para o processo

13

Com a definio da diviso das partes internas que iro compor a carroceria,

definida a sequncia de montagem e a partir deste ponto possvel definir a

seqncia de processo. Engenheiros de produto, de manufatura e qualidade podem,

a partir deste momento, iniciar a definio dos pontos de referncia de montagem

dos componentes.

Esta uma definio de extrema importncia para a qualidade e flexibilidade final do

produto, pois estes pontos representam a possibilidade de fabricar peas

estampadas, soldar componentes, montar e medir componentes da forma adequada

e com qualidade.

Pontos de referncia so caractersticas fsicas das peas, tais como furos e

superfcie por onde so apoiadas e referenciadas, trazendo as peas para a posio

de montagem ou medio. Todo o sistema de coordenadas, nos seis graus de

liberdade, e por consequncia todos os pontos de medio passam a ser baseados

nestes pontos.

Deve-se definir os pontos de referncia nas partes mais estveis dimensionalmente,

pois estes sero as referncias de montagem e medio dos futuros componentes.

A posio deste ponto de referncia est diretamente relacionado s caractersticas

construtivas como forma, espessura e o conceito de fabricao.

O projeto de peas unitrias e conjuntos deve levar em considerao o

posicionamento destas referncias para que seja possvel seu uso repetitivo, sem

troca de referncias durante as operaes produtivas, o que pode adicionar

variabilidade do processo produtivo ao produto. Para montagem final, da mesma

forma, as referncias devem ser usadas para a formao dos mdulos e sua

montagem na carroceria.

A discusso tcnica gerada nesta fase de fundamental importncia para se

predizer o comportamento dimensional do produto, pois para se definir pontos de

referncia de montagem necessrio avaliar todo o conceito de montagem do

veculo e a forma como seus componentes vo se relacionar.

14

2.5 Relaes funcionais

Quando peas, conjuntos ou mdulos vo ser montados em um veculo, estes

necessitam se encaixar nos vos correspondentes da carroceria. Mdulos so

formados por diversos componentes e sua montagem deve respeitar certos limites

de variabilidade. Da mesma forma, diferentes pontos da carroceria podem estar em

contato com uma mesma pea e a dimenso desta pea se estender at o outro

lado do veculo.

A determinao dos limites de variabilidade de mdulos e vos correspondentes de

carroceria deve ser feita para permitir que a sua montagem ocorra da forma

adequada, sem retrabalhos ou desvios que podem comprometer o desempenho do

produto.

Quando a montabilidade de dois conjuntos depende da variabilidade de diversos

componentes, faz se necessrio uma avaliao de tolerncias para determinao da

variabilidade dos conjuntos, do produto final e do resultado da montagem com

relao a uma especificao de produto. Existem diversos mtodos de avaliao de

tolerncias. Estes mtodos sero discutidos no captulo 3. Relaes funcionais esto

relacionados ao conceito de montagem funcional ou montagens deformveis,

assunto discutido tambm no captulo 3.

2.6 Fase de lanamento

A fase de lanamento representa o desafio de atestar a condio adequada de

fabricao do produto, alm de identificar novos problemas com o produto em

condies definitivas de operao. Grande foco dado pela administrao a

estabilizao de processos para fabricao de componentes dentro das

especificaes de produto e qualidade, devido a necessidade de atender os prazos

de projeto e colocar o produto no mercado.

Dada a complexidade de desenvolvimento de um produto como um veculo

completo, a falta de avaliao de problemas de qualidade dimensional durante o

projeto resulta em um grande volume de problemas nas fases de lanamento, pois

15

perde-se a rastreabilidade de problemas potenciais que deveriam ser discutidos na

fase de desenvolvimento de conceito.

As figuras 2.6 a e b ilustram os componentes principais envolvidos na construo de

uma carroceria, sem considerar elementos como pequenos suportes para fixao de

componentes de motor ou acabamento.

Figura 2.6 Elementos bsicos de construo de uma carroceria.

16

Figura 2.6 Elementos bsicos de construo de uma carroceria (continuao).

A maior parte dos problemas so eliminados durante a fase de lanamento, mesmo

que com elevados custos de modificao, mas existe a possibilidade de no se

conseguir resolv-los e ainda de se tornarem problemas crnicos durante o ciclo de

vida do produto.

Especial ateno dada a avaliao criteriosa dos problemas. Deve-se identificar

quais problemas so de fato relevantes sob o ponto de vista de conceito ou se so

resultado de um processo instvel. Conforme Deming (1990) pode-se formular duas

17

fontes de perda devido a confuso entre causas comuns e especiais: atribuir uma

variao a uma causa especial, ou atribuir uma causa especial a uma variao

(causa comum).

A definio clara de valores de tolerncia em projeto, permite aos reponsveis pelo

lanamento identificar com maior rapidez e facilidade problemas de fabricao, pois

os fatores crticos esto previamente identificados.

Nos projetos seguintes procura-se diminuir a incidncia de problemas, mas a prtica

mostra que frequentemente muitos ou, em alguns casos, os mesmos problemas

voltam a acontecer por falta de uma sistemtica de desenvolvimento com foco na

qualidade dimensional. A questo como integrar de maneira sistmica as

caractersticas dimensionais dos componentes de forma a identific-los nas fases

anteriores de projeto, possibilitando s reas tcnicas explorar alternativas de

eliminao, conteno e controle de problemas, podendo ainda modificar conceitos

de produto identificados como crnicos sob o aspecto dimensional.

Para isso, necessrio um sistema de projeto que possibilite o uso de ferramentas

que identifiquem requisitos dimensionais importantes para uma fabricao eficiente e

atestem, por meio de simulaes, a sua futura condio em processo. Deming

(1990) salienta que a qualidade deve existir no produto j na fase de projeto. Todo

produto deve ser encarado como parte de um todo. Depois que os planos j esto

sendo executados, pode ser tarde demais.

Conforme Gerth e Baron (2003), os grupos de design, estamparia, montagem,

lanamento, fornecedores de ferramentas, fornecedores de equipamentos de

montagem e fornecedores de peas estampadas podem melhor se interagir quando

dentro de uma estrutura formalizada e com a devida metodologia.

Nos captulos 3 e 4 so propostas respectivamente ferramentas e sistemtica para o

desenvolimento de projetos com vista a qualidade dimensional de projeto.

18

3. FERRAMENTAS DE ANLISE DIMENSIONAL NO

DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOS E PROCESSOS.

O desenvolvimento de uma avaliao de tolerncias requer um conhecimento bsico

sobre conceitos dimensionais e ferramentas de anlise. Conceitos dimensionais

esto relacionados a tcnicas de controle de variao, ou seja, comportamento

dimensional de componentes e tcnicas de representao e identificao de

tolerncias. A informao sobre as caractersticas, valores e efeito das tolerncias

no produto fundamental para o modelamento de uma anlise, j que os valores de

tolerncia se compem de um dos dados de entrada para o processo de construo

de um modelo.

As ferramentas de anlise so compostas por anlises numricas e/ou geomtricas

de diferentes tipos feitas por meio de softwares disponveis no mercado. A seleo

da ferramenta vai ocorrer de acordo com a necessidade de anlise identificada ou

possibilidade de investimento e recursos disponveis.

O conhecimento e disponibilidade de ferramentas dimensionais se caracterizam

como elementos bsicos para o desenvolvimento de uma anlise de tolerncia. Sua

execuo deve, no entanto, ser feita com uma metodologia adequada para facilitar a

identificao de elementos de influncia, construo do modelo de anlise, alm de

evitar a ocorrncia de erros na construo do modelo.

O objetivo deste captulo identificar o conhecimento necessrio para identificar,

extrair e organizar as informaes dimensionais do produto, descrever as

ferramentas de anlise de tolerncias disponveis e apresentar uma metodologia

para que a anlise possa ser feita de maneira estruturada.

3.1 Conceitos e ferramentas de avaliaes dimensionais .

3.1.1 Variabilidade

19

Todo componente manufaturado possui variao dimensional. No caso da indstria

automobilstica, o controle da variabilidade tem grande importncia por possibilitar

processos estveis e bons valores de produtividade.

A variao pode ser oriunda de diversos fatores. Dentre estes fatores pode-se citar

os que exercem influncia sobre processos produtivos como meio ambiente,

variao devido a troca de ferramentas, diferentes ajustes de processo, desgaste

natural de ferramentas, manuteno, ou ainda variao de caractersticas de matria

prima.

O conhecimento de variabilidade importante para o projetista de produto, para que

seja possvel prever o comportamento dimensional da pea, com relao ao

conjunto veculo. Parkinson (1995), examinou como modelos de engenharia podem

ser usados para desenvolver projetos robustos, que toleram variao. Estes modelos

podem predizer a performance e controlar o efeito da variabilidade no projeto.

Ainda segundo Parkinson (1995), contabilizar a variao dimensional essencial

para o desenvolvimento de produtos de classe mundial. Virtualmente, cada desenho

de engenharia est sujeito a variao que pode ser oriunda de diversas causas,

incluindo operaes de manufatura, propriedades do material e meio ambiente

operacional. Quando a variao ignorada, projetos no robustos podem resultar

em produtos caros para se produzir ou que falham em servio.

Para carrocerias, Lee (1998) exemplifica como a variao dimensional em

carrocerias e partes mveis um fator crtico relacionado a funcionalidade de uma

carroceria e produtividade de um processo de montagem. Baixa integridade

dimensional vai causar problemas funcionais como entrada de gua, rudo de vento

e excessivo esforo de fechamento de portas. Elevada variao dimensional de

carroceria ou partes mveis vai tambm causar problemas de montabilidade nos

processos de ajustes com consequentes resultados baixos de produtividade.

A ocorrncia de variao dimensional pode ser classificada em duas formas:

variao devido a causas comuns e variao devido a causas especiais.

20

Variao devido a causas comuns se constitui da somatria de variaes aleatrias

dos diversos parmetros de processo. Devido a caracterstica aleatria deste tipo de

variao ela a mais difcil de reduzir e pode requerer uma mudana em processo.

Por outro lado, variao devido a causas especiais o resultado de comportamento

no aleatrio especfico de alguns parmetros no processo. Uma troca de

ferramenta, por exemplo, representa uma causa especial, por causar um desvio nas

medidas dimensionais.

3.1.2 Controle estatstico de processo

Os valores de variabilidade so obtidos com informao de processo e para isso

deve-se recorrer a tcnicas de avaliao de medidas de processo que possibilitem a

obteno de uma informao segura de variabilidade, para a adoo de valores de

projeto com base na avaliao de peas e processos semelhantes.

Conforme Kawlra (1994), as folhas de controle estatstico de processo foram

introduzidas por Shewhart em 1920 para ajudar a entender e controlar os processos

de manufatura, baseado em inspeo peridica de uma pequena e representativa

parte da produo. Uma folha tpica tem os limites de controle superior e limite de

controle inferior. Os limites de controle so dirigidos pela variabilidade natural do

processo (medido pelo desvio padro ) e no a especificao no desenho da pea.

Os grficos X e R so normalmente usados para controlar o valor mdio e

variabilidade de uma caracterstica dimensional. Para obter limites de controle

suficientes e precisos, uma regra comum ter pelo menos 25 subgrupos de cinco

partes.

Softwares de avaliao de dados dimensionais esto disponveis no mercado e

permitem obter relatrios dimensionais com elevada preciso, incluindo a emisso

de relatrios de diversos lotes de produo, facilitando a comparao e avaliao de

informaes de status dimensional de componentes. importante que o projetista

faa uso adequado das tcnicas de avaliao, para que seus valores possam ser

levados em considerao no projeto da maneira adequada.

3.1.3 Capacidade de processos, CP e CPK.

21

Os ndices CP e CPK representam os indicadores estatsticos das variaes e

desvios dimensionais. CP ou capacidade de processos indica o quanto o processo

est variando em relao ao seu campo nominal de tolerncias. CPK indica o quanto

a variao de processo est desviada do valor nominal.

Figura 3.1 Representao grfica de desvio e variao.

Um pr-requisito para avaliao da capacidade de um processo que o mesmo

deve estar em estado de controle estatstico. Isto significa que os grficos de

controle estatstico esto sendo controlados e, se qualquer ocorrncia fora de

controle for observada esta deveria ter uma causa registrada. Desta forma, para

caracterizar de maneira realista a capacidade de um processo, os valores de CP e

CPK devem ser conhecidos.

A importncia destes indicadores representarem numericamente o que um

processo capaz de produzir com relao s tolerncias dimensionais e diferenciar

o que a variao natural do processo de um desvio aleatrio, ou uma causa

especfica. O domnio destas informaes de grande importncia para a anlise de

tolerncias, por definirem caractersticas de variabilidade de tolerncias unitrias que

22

sero colocadas no clculo estatstico, influenciando diretamente o resultado do

clculo.

Kawlra (1994), explicou em seu trabalho que com a nfase cada vez maior em

qualidade, a comunidade do produto tem constantemente apertado os valores de

tolerncias dimensionais para obter melhores montagens. Como conseqncia, os

engenheiros automotivos tem demandado capacidade de processo cada vez maior

para novos equipamentos. O custo de investimento (mquinas e dispositivos com

mais preciso) e custo unitrio de manufatura (troca freqente de ferramentas e

sistemas de compensao mais sofisticados) para obter estas tolerncias tem

subido de maneira dramtica.

Bulba (2003), descreveu os valores adequados para CP e CPK, que so 2,0 e 1,5

respectivamente.

A tabela 3.1 detalha a relao entre valores de CPK e quantidade de defeitos por

milho:

Tabela 3.1 Relao entre valores de CPK e quantidade de defeitos por milho.

Convm salientar que os valores de CP e CPK tm uma relao direta com o valor

da tolerncia, ou seja, projetos com tolerncias mais abertas tero maior facilidade

de atingir os valores adequados quando comparados aos com tolerncias mais

apertadas.

23

3.1.4 Tolerncias

Entende-se por tolerncias o desvio ou variao dimensional permissvel, de um

componente em relao ao seu valor nominal. Um projeto normalmente iniciado

com os desenhos em seu valor nominal, mas responsabilidade do projetista atribuir

valores de tolerncias nos desenhos de acordo com requisitos construtivos,

funcionais e de fabricao do produto.

No caso de um produto automobilstico, cada componente tem interfaces ou ajustes

com diversos outros componentes e todos esto sujeitos a variaes nos seis graus

de liberdade. Este fato torna complexa a tarefa de atribuir tolerncias de desenho s

caractersticas fsicas de produto. Como conseqncia, prtica comum nos

desenhos a definio das tolerncias gerais de fabricao com tolerncias

apertadas, para evitar eventuais problemas de fabricao ou montagem do produto.

Peas com tolerncias muito apertadas podem ser difceis de aprovar. Por outro

lado, peas com tolerncias muito abertas podem trazer um problema funcional ou

qualitativo. Por isso, a deciso sobre a reduo de tolerncia de um componente,

deve ser tomada com critrio. Havendo a necessidade de apertar a tolerncia de

uma caracterstica fsica de um componente, deve-se fazer especificamente para

esta caracterstica e no para todo o componente.

Chase e Greenwood (1998), mencionaram que a aplicao adequada de tolerncias

dimensionais para partes manufaturadas est se tornando reconhecida pela

indstria como um elemento chave nos esforos para melhorar a produtividade.

Modestos esforos nesta rea podem render significantes redues de custos com

pouco investimento. o primeiro exemplo do sucesso que resulta de se incluir

consideraes de manufatura nos estgios iniciais de projeto. A anlise de

tolerncias uma ferramenta valiosa para reduzir os custos de manufatura por

melhorar a produtividade.

Kawlra (1994) complementou que tolerncias realistas que so nem muito apertadas

ou muito abertas so muito difceis de definir sem conhecimento de manufatura.

Como exemplo, para um novo produto fabricado em um equipamento j existente,

24

diferenas em material, forma e dimenses (rigidez) da pea, ou ferramenta, sero

suficientes para resultar em uma mudana nas tolerncias. Dada uma tolerncia

especifica para uma caracterstica, a manufatura tenta selecionar o processo menos

oneroso que produzir peas dentro da tolerncia especificada.

Se as tolerncias so muito apertadas, a planta encorre de um investimento inicial

alto para a compra de equipamentos caros e mtodos para assegurar que as

tolerncias sero atingidas. No dia a dia de operaes isto pode significar freqentes

ajustes de ferramentas e mquinas, ou maior refugo e custo de retrabalho. Por outro

lado, se as tolerncias so muito abertas, o produto pode no funcionar de maneira

adequada. Isto levaria a maiores custos de garantia e insatisfao do cliente.

3.1.5 Liguagens cartesiana e geomtrica de representao e identificao de

tolerncias.

3.1.5.1 Linguagem geomtrica Linguagem geomtrica, ou GD&T (geometrical design & Tolerancing)

regulamentada pela norma ASME Y14.5 de 2009 e se constitue de uma linguagem e

representao simblica para indicar requisitos dimensionais de peas e montagens

de maneira clara e padronizada, facilitando a comunicao entre especialistas. Tem

sido usado ao longo de muitos anos pelas indstrias automobilsticas americanas e

aeronuticas. A ASME Y14.5 2009 semelhante a norma ISO 1101 GPS.

Figura 3.2 Representao de referncias e tolerncias pelo mtodo geomtrico.

25

As tolerncias geomtricas podem ser classificadas como de forma, orientao e

posio. A figura 3.4 demonstra os smbolos e caractersticas das tolerncias

geomtricas.

Figura 3.3 Representao grfica de tolerncias de forma, orientao e posio.

(ISO 1101 GPS Geometrical Product Specification )

3.1.5.2 Linguagem cartesiana

A linguagem cartesiana faz uso do sistema global de coordenadas, demonstrado na

figura 3.5, que se constitui de trs planos ortogonais atravessando o veculo nos

eixos X, Y e Z. O sistema global de coordenadas est relacionado forma de

localizao dos componentes no espao. A localizao das referncias dos

componentes nos trs eixos ortogonais permite identificar a localizao exata dos

26

componentes no projeto do veculo. Permite tambm localizar as referncias no

espao para a confeco do processo de manufatura e acolhedores para controle

dimensional, dentro de um sistema de coordenadas unificado.

Figura 3.4 Sistema global de coordenadas.

Esta caracterstica faz do sistema cartesiano uma ferramenta atrativa para empresas

automobilsticas, pois possvel desenvolver o projeto do produto, processo de

fabricao e acolhimento de medio no mesmo sistema de referncias.

As tolerncias das peas unitrias estaro da mesma forma, relacionadas aos

pontos de referncia da pea e estes pontos localizados, se possvel, fisicamente

paralelos ao sistema global de coordenadas.

27

Figura 3.5 Representao de referncias e tolerncias pelo mtodo cartesiano.

3.1.6 Tolerncias de dimenso e posio.

Peas podem apresentar variaes nas dimenses de suas caractersticas fsicas

como formas ou furos, ou estar com estas dimenses deslocadas em relao a suas

referncias. Esta a diferena entre tolerncias de dimenso ou tolerncias de

posio. A identificao das duas caractersticas de tolerncia em um componente

relevante para uma anlise de tolerncias devido a possibilidade das duas

caractersticas se somarem no mesmo componente. Estas caractersticas de

variao ocorrem em componentes mecnicos independentemente do sistema de

tolerncias adotado (GD&T ou Cartesiano).

3.1.7 Zona de tolerncia de posio cartesiana e cilndrica.

Uma diferena significativa entre tolerncias cartesianas e geomtricas est no

ganho de tolerncia com a zona de tolerncia circular. Este ganho pode ser

identificado na figura 3.7, com a sobreposio grfica de dois pontos, um em cada

conceito. A rea quadrada identifica o campo de tolerncia cartesiano, e o crculo o

campo geomtrico. As regies na cor cinza identificam o campo de tolerncia no

usado pelo sistema cartesiano, para o mesmo valor final de tolerncia. O ponto final

de tolerncia identificado pelo ponto de encontro entre diagonal do quadrado e o

crculo circunscrito.

28

Figura 3.6 Zona de tolerncia de posio cartesiana e geomtrica.

Existe desta forma, uma correlao de valores entre as tolerncias geomtricas e

cartesianas. Esta correlao pode ser vista na tabela 3.2.

Tabela 3.2 Correlao entre valores de tolerncias geomtricas e cartesianas.

3.2 Anlises de tolerncias

3.2.1 Cadeia de tolerncias

No processo de desenvolvimento de produtos, as peas unitrias de um veculo so

desenvolvidas com tolerncias dimensionais projetadas a atender seus requisitos

tcnicos, funcionais, de viabilidade de manufatura e qualidade. Estes componentes

de diferentes reas de desenvolvimento ou at empresas devem convergir na forma

de um produto final. Sob o aspecto dimensional esta integrao resulta na somatria

de variaes dimensionais unitrias.

29

Para construir um modelo de anlise de tolerncias, deve-se identificar todos os

componentes que exercem influncia sobre os resultados do clculo. Esta

identificao deve levar em considerao os componentes que compem o produto,

a seqncia de montagem e a seqncia de processo. A variao final resultante

funo da somatria das variaes que a compe, e esta somatria chamada de

cadeia de tolerncias. Uma cadeia de tolerncias esta exemplificada na figura 3.9.

A construo da cadeia de tolerncias deve ser feita de maneira detalhada,

respeitando-se as seqncias de montagem do produto e de processo, as interfaces

entre componentes e as referncias de processo. Deve-se tambm avaliar as trocas

de referncias durante o processo produtivo. Seu sentido da variao especificado

para verificar se representa um aumento ou diminuio do campo de tolerncias em

anlise.

Figura 3.7 Cadeia de tolerncias

Por identificar os componentes que exercem influncia na variao final do produto,

anlise da cadeia de tolerncias permite obter melhorias no projeto devido

identificao de caractersticas criticas de construo.

3.2.2 Anlise de tolerncias e sntese de tolerncias

No desenvolvimento de uma anlise, engenheiros normalmente enfrentam duas

situaes ao construir um modelo: determinar a tolerncia resultante de um sistema

composto por diversos subsistemas ou, com base em uma definio de tolerncia

30

final, definir a tolerncia mxima dos componentes deste sistema para que o objetivo

seja atingido.

A definio das tolerncias resultantes de um sistema d-se o nome de anlise de

tolerncias. A distribuio de tolerncias nos subsistemas devido a uma

especificao de tolerncia j conhecida d se o nome de sintese de tolerncias. A

figura 3.10 exemplifica os casos.

Figura 3.8 Anlise de tolerncias e sntese de tolerncias

Os mtodos se diferem principalmente devido aos objetivos da anlise e na

formulao matemtica para que se chegue a um resultado. Enquanto a anlise de

tolerncias faz uso de mtodos se soma aritmtica, quadrtica ou estatstica para

chegar a um resultado, a alocao de tolerncias faz uso de modelos como srie de

Taylor ou mtodo dos momentos para distribuir o valor entre componentes do

sistema.

3.2.3 Tipos de anlise de tolerncias

3.2.3.1 Anlise pelo pior caso

O conceito de anlise pelo pior caso est baseado na somatria das variaes dos

componentes, estando cada um deles no mximo de tolerncia unitria permissvel.

Desta maneira, a somatria dos valores feita de maneira aritmtica, conforme

demonstrado na figura 3.11.

31

O problema deste tipo de clculo reside no fato de que raramente todos os

componentes estaro no mximo da tolerncia ao mesmo tempo. O resultado do

clculo apresenta campos de variao bastante grandes e frequentemente no so

viveis no projeto do produto.

Deve-se atentar ao fato de que no caso de um projeto com objetivos de tolerncia

muito apertados, com sub-componentes com elevado potencial de ultrapassar seus

limites, ou algum que apresente um desvio excessivo, a probabilidade de o resultado

ser maior aos limites de projeto ser grande. Para tens de segurana aonde no

deve existir a possibilidade de variao acima de certos limites, recomenda-se o uso

de anlises aritmticas.

Uma caracterstica da anlise aritmtica possibilitar a identificao e locao das

tolerncias, facilitando a identificao da cadeia de tolerncias para um posterior

clculo estatstico.

Figura 3.9 Somatria de tolerncias pelo pior caso.

3.2.3.2 Anlise estatstica

Ao se deparar com uma situao de projeto que existir dificuldade de se atingir o

valor de tolerncia necessrio, comum apertar as tolerncias dos subsistemas

para se atingir o valor final adequado. Esta prtica resulta em tolerncias difceis e

caras de se produzir, com potencial de retrabalho e desperdcios de produo.

32

A principal caracterstica da anlise de tolerncias estatstica considerar a

variabilidade de todos os componentes que compem a cadeia. Desta forma,

dificilmente todos os componentes estaro na sua tolerncia mxima

simultaneamente. Neste caso, com o indicado na figura 3.12, cada elemento

representado por uma variao estatstica unitria. Mesmo que um dos

componentes tenha um valor de variao maior que o permitido, o valor de outro

componente absorve este excesso por estar abaixo do seu limite ou no sentido

oposto de variao.

Figura 3.10 Cadeia de tolerncias estatstica.

Anlises estatsticas podem ser feitas por mtodos de integrao numrica ou

avaliaes pelo mtodo de Monte Carlo, com base em geradores randmicos. Pelo

clculo numrico, a definio do tipo de variao estatstica de cada um dos

componentes (CP e CPK) de fundamental importncia, pois cada um apresenta

um comportamento estatstico especfico.

A definio do comportamento estatstico das tolerncias de dimenso de um

componente, pode ser definida segundo ferramentas estatsticas descritas

anteriormente. A definio de seus valores na fase de projeto se torna complexa,

pois um novo componente pode possuir caractersticas fsicas como espessura,

forma geomtrica e processos de fabricao diferenciados. Neste caso, o

comportamento estatstico das tolerncias atribudo com base em padres ou na

experincia dos projetistas. De grande utilidade neste momento a utilizao de

33

banco de dados de tolerncias dimensionais, normalmente disponveis nos

departamentos de medio de componentes, devidamente avaliados

estatisticamente com uso de softwares ou ferramentas matemticas, que serviro de

base para deciso.

3.2.3.3 Anlise em um grau de liberdade

Este tipo de analise pressupe que todas as variaes so lineares, ou seja, esto

ocorrendo no mesmo plano ortogonal. Se uma medida no estiver no plano

estudado, ser necessrio projetar sua variao para o plano em anlise.

As anlises em um grau de liberdade possibilitam rpidas avaliaes, pois seu

modelamento simples quando comparado com outros tipos de anlise. Seu

modelamento deve, no entanto, seguir critrios semelhantes aos das anlises mais

complexas para garantir a construo correta do modelo.

3.2.3.4 Anlise nos trs graus de liberdade

Devido s caractersticas fsicas dos componentes automobilsticos, a variao

normalmente ocorre nos trs sentidos ortogonais. Como resultado, a variao de um

componente em um sentido ortogonal exerce influncia sobre outro sentido se a

superfcie dos componentes tem um perfil complexo.

Para desenvolver a anlise 3D, softwares fazem uso de geradores randmicos de

medidas e com isso conseguem reproduzir a variabilidade de processo. A

recomendao do fornecedor do software simular no mnimo 5000 operaes de

montagem com base na gerao randmica. Este volume de operaes adequado

para que os resultados estatsticos extrados desta simulao possam ser confiveis.

A concluso numrica do clculo ento feita com anlise de Monte Carlo.

Softwares 3D permitem visualizar a variao dimensional por meio de animao,

possibilitando demonstrar o efeito do acmulo de tolerncias no produto final. Esta

ferramenta facilita a identificao e demonstrao de problemas dimensionais sendo

tambm de grande utilidade para aplicao em projetos como a fbrica digital.

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3.2.4 Fator geomtrico.

Um benefcio das anlises em ambiente 3D geomtricas a avaliao do chamado

efeito geomtrico ou Geofactor. Este efeito ocorre quando uma pea apoiada em

uma pequena superfcie deve ser alinhada com relao a uma caracterstica externa

muito maior do que esta superfcie. Ocorre neste caso, uma ampliao da tolerncia

devido ao fator geomtrico. Na figura 3.14 possvel observar graficamente o

aumento do campo de tolerncia +-Z para +- Z, devido relao entre as medidas

Y1 e Y2.

Figura 3.11 Aumento do campo de tolerncia devido ao fator geomtrico.

3.2.5 Anlise de sensibilidade

Um dos dados de sada da anlise de tolerncias o diagrama de Pareto. Com ele,

pode-se avaliar a contribuio de cada tolerncia para o resultado final e identificar

em qual medida atuar inicialmente para obter resultados significativos. A Figura 3.15

exemplifica um resultado de contribuio aritmtica e estatstica resultante da

avaliao de uma cadeia de tolerncias com 7 elementos.

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Figura 3.12 Anlise de sensibilidade.

3.2.6 Montagens deformveis

A anlise de tolerncias por modelos matemticos est baseada na condio de que

a contribuio de cada componente est relacionada apenas a sua tolerncia

unitria, e que estes elementos no sejam deformados pelas foras geradas nas

montagens. O conceito de montagens deformveis ou Compliant Assemblies leva

em considerao a resistncia e deformao nas peas.

O foco do conceito de montagens deformveis est na confeco de carrocerias,

pois peas metlicas se deformam de acordo com as tenses geradas no processo,

mas o conceito pode tambm ser aplicado a componentes plsticos.

3.2.6.1 Montagem funcional

Variaes do processo de armao de carrocerias so difceis de predizer e por isso,

com base no conceito de montagens deformveis, recomenda-se definir as

tolerncias de medidas apenas aps a avaliao dos resultados de processo, e/ou

um veculo avanado. Os valores iniciais so estimados com base na experincia de

projetos anteriores e sero atestados ou revisados nos veculos de pr srie.

Hammet, Wahl e Baron (1999), descreveram o conceito de montagem funcional para

montagens complexas que levam em considerao o critrio de flexibilidade de

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peas metlicas como alternativa ao mtodo seqencial de aprovao de

componentes, depois pr montagens, e finalmente o produto acabado, que resultam

em tolerncias apertadas devido a tentativa de conter problemas de montagem com

o acmulo de tolerncias.

Gerth e Baron (2003), explicam o conceito de montagem funcional praticado por

empresas americanas, que consiste em assegurar que componentes atendam ao

seu campo de processo, ao contrrio do campo de tolerncias. Isto acontece porque

o processo de montagem frequentemente mais robusto perante a variao dos

componentes. Como exemplo, chapas de metal que desviam do seu nominal

quando fora do dispositivo ficam muito perto do nominal durante o processo de

montagem por estarem apoiadas e posicionadas por grampos no processo de solda.

Majeske e Hammet (2000), complementam que durante o processo de

desenvolvimento, fabricantes tipicamente vem especificaes de projeto como

requisitos no flexveis. Esta abordagem est baseada num dos princpios

fundamentais do moderno controle de qualidade: para produzir produtos finais

dentro da especificao, deve-se usar componentes dentro da especificao. De

uma perspectiva estatstica, isto implica que a varincia e mdia do comportamento

dimensional so somadas no processo de montagem. Para componentes rgidos

esta colocao verdadeira. Entretanto para componentes no rgidos podem

mudar a sua forma durante um processo de montagem.

Aguardar para definir caractersticas dimensionais nas fases de laamento pode ser

conveniente, por usar dados reais de produto e processo. , no entanto,

fundamental que o conceito do produto j tenha sido concebido e avaliado na fase

virtual levando-se em considerao a variabilidade admissvel em processo. Na fase

de lanamento, quando produto e o processo j se encontram concludos, qualquer

modificao representar custos elevados.

Os cuidados na especificao de projeto dos componentes e dos seus futuros

processos produtivos leva a processos mais estveis, evitando a somatria de

desvios, o que pode ser prejudicial a qualidade final mesmo se considerada a

deformao de componentes com base no conceito de montagens funcionais. Se for

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identificada a possibilidade de se trabalhar com tolerncias mais abertas devido a

montagens deformveis, sem influenciar os requisitos do produto, estas

modificaes podero ser implementadas no projeto e no processo por representar

uma economia de recursos para a empresa.

Gerth e Baron (2003) acrescentam que a carroceria de um veculo o sistema mais

complexo para projetar e produzir. Requer a coordenao de muitos grupos

separados (design, estampabilidade, montagem, lanamento, fornecedores de

ferramentas, fornecedores de equipamentos de montagem, fornecedores de peas

estampadas) sobre restries de prazo para construir um sistema de manufatura que

no bem entendido.

Uma implicao prtica da adoo de medidas devido a imprevisibilidade de

resultados so as medidas funcionais de carroceria, discutidas no captulo 2. As

medidas funcionais permitem verificar a variabilidade de processos semelhantes,

ajudando adotar um valor inicial para os clculos de tolerncia se o valor definitivo

de uma montagem deformvel ainda desconhecido.

Existem no mercado softwares para anlise de variao de elementos deformveis,

que fazem uso de anlises por elementos finitos e possibilitam avaliar a deformao

de conjuntos em diferentes etapas do processo produtivo. Possibilitam tambm

avaliar e visualizar a deformao elstica de conjuntos quando so retirados do

dispositivo de geometria.

3.3 Processo de anlise de tolerncias.

A aplicao de anlise de tolerncias no projeto automobilstico requer a adoo de

uma sistemtica para possibilitar identificar e organizar os dados dimensionais de

acordo com o conceito de produto e sequncia de processo.

Com o modelo de anlise construido, possivel fazer uma avaliao crtica para se

optar por diferentes ferramentas de clculo de acordo com o tipo de anlise

necessria, software disponvel e/ou prazos de desenvolvimento.

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O primeiro fator a considerar a definio clara da dimenso a ser avaliada, que

pode ser a resultante da somatria de variaes ou um dos elementos da somatria.

Esta dimenso nem sempre est especificada ou conhecida, e para isso pode ser

necessrio recorrer a ferramentas para identificar quais as medidas relevantes para

o produto. Esta ferramenta denominada avaliao de interfaces ser descrita no

capitulo 4.

Deve-se identificar o conceito de produto, ou seja, a diviso e sequenciamento de

partes, os pontos de referncia e tambm as tolerncias de forma e posio. Estas

informaes sero usadas para identificar ou definir a seqncia de processo. Com

base em todas as informaes de produto e processo descritas, ser definida a

cadeia de tolerncias que serve de modelo para colocao dos dados no software.

O processo de detalhamento das caractersticas dimensionais de produto e processo

para anlise de tolerncias, j um beneficio qualitativo para o projeto, por obrigar a

detalhar conceitos construtivos que poderiam passar despercebidos. A figura 3.16

apresenta o fluxograma do processo de anlise de tolerncias.

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Figura 3.13 Processo de anlise de tolerncias

Conforme Lee (1998), um dos esforos usados para melhorar a qualidade

dimensional e manter os custos a nveis competitivos aplicar anlise de tolerncias

no projeto de produtos e processos. Anlise de tolerncias um mtodo usado para

acumular tolerncias de componentes individuais em uma montagem nas etapas

iniciais de design. um mtodo importante para verificar se o empilhamento das

tolerncias propostas para os componentes aceitvel para um produto, baseado

em especificaes atestadas.

3.4 Consideraes.

Neste captulo foram apresentados o conhecimento bsico, as ferramentas e a

sistemtica para o desenvolvimento de anlises de tolerncias. As ferramentas

possibilitam predizer o comportamento dimensional do produto, integrando

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componentes de diferentes reas de desenvolvimento com vista a atender requisitos

tcnicos ou de qualidade. Possibilitam tambm predizer requisitos de processo e/ou

caractersticas de produto para processo com base no futuro comportamento

dimensional de produto.

Desta forma, possvel identificar problemas que seriam descobertos apenas na

fase de lanamento ou durante a fabricao em srie, que resultariam retrabalhos,

perda de eficincia operacional ou de qualidade para o cliente final, conforme

apresentado no captulo 2.

Existem diferentes ferramentas que devem ser aplicadas de acordo com o tipo de

anlise a ser efetuada ou recursos disponveis. Estas ferramentas devem, no

entanto, estar integradas no processo de desenvolvimento de produto, e ser

aplicadas no momento adequado.

A aplicao das ferramentas de anlise permite solucionar ou conter um problema

dimensional, mas existe a possibilidade do problema no ser identificado ou que os

problemas identificados nas anlises no sejam implementados no projeto ou nos

documentos de controle. Para isso necessria uma sistemtica que permita

gerenciar problemas dimensionais.

O captulo 4 prope uma sistemtica para trabalhar com caractersicas dimensionais

desde a sua investigao at a sua implementao no projeto ou documentos de

controle dimensional. No capitulo 5 sero apresentados casos de anlise de

tolerncias e identificao de problemas dimensionais em projetos reais.

41

4. SISTEMTICA DE DESENVOLVIMENTO DIMENSIONAL

APLICVEL AO PROJETO AUTOMOBILSTICO.

4.1 Desenvolvimento dimensional.

A identificao de todas as caractersticas dimensionais crticas do produto na fase

de projeto representa um dos desafios enfrentados pelo projetista de produtos

automobilsticos. A integrao de um componente com outros sub componentes ou

conjuntos depende de uma anlise do veculo como sistema e subsistemas,

integrando variao de todos os componentes envolvidos em um aspecto funcional

ou qualitativo.

Esta capacidade de identificao fica, no entanto, condicionada ao conhecimento ou

bom senso do projetista. Um exemplo de iniciativa para melhorar a possibilidade de

identificao antecipada de problemas de projeto, foi a criao dos grupos de

engenharia simultnea. Nestes grupos, especialistas de diferentes reas da empresa

so colocados em um time de desenvolvimento, e com o conhecimento especfico

de cada rea contribuem para as informaes de projeto.

Deve-se, no entanto, orientar um time de engenharia simultnea a prever o

comportamento dimensional de um produto. O trabalho de diversos especialistas

trabalhando em conjunto, sem a aplicao de um processo sistemtico de

identificao de problemas, pode fazer com que problemas potenciais passem

despercebidos.

A anlise de tolerncias uma ferramenta de grande utilidade para predizer o

comportamento dimensional de um produto. Todas as tcnicas de anlise

apresentadas no captulo 3 so ferramentas eficientes para identificao e soluo

de problemas dimensionais. A garantia de efetividade das aes identificadas pelas

ferramentas de anlise de tolerncias vai, no entanto, alm de anlises numricas.

necessrio um mtodo de trabalho que garanta a identificao, anlise e

implementao de aes corretivas de caractersticas crticas dimensionais. Este

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processo chamado planejamento dimensional. O processo de planejamento

dimensional vai alm da anlise de tolerncias por garantir a efetividade das aes

de garantia de qualidade dimensional. A figura 4.1 apresenta o processo de

planejamento dimensional.

Figura 4.1 processo de planejamento dimensional.

Segundo Craig (1996) o planejamento dimensional uma metodologia de

engenharia combinada com ferramentas de simulao por computador usada para

melhorar a qualidade e reduzir custos pelo design robusto e variao controlada. O

objetivo do planejamento dimensional criar um projeto e processos que absorvam

variao ao mximo possvel sem prejudicar a funo do produto.

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4.2 Identificao e avaliao de interfaces

A somatria de variao dimensional de componentes unitrios que iro exercer

influncia sobre uma caracterstica de produto se d pelo contato ou interface entre

peas durante uma seqncia de montagem ou processo produtivo. A avaliao

cuidadosa destas interfaces representa uma oportunidade de identificar problemas

dimensionais.

A aplicao da anlise de tolerncias como ferramenta de desenvolvimento de

projeto est condicionada a identificao pelos projetistas de caractersticas de

qualidade do produto. a partir da identificao de um problema que se inicia um

clculo de tolerncias.

Problemas de produto e processo esto relacionados a outras caractersticas fsicas

de produto que podem resultar em dificuldade de montagem ou problemas de

qualidade. A avaliao das interfaces baseada em critrios e aplicada de maneira

sistmica permite a identificao de caractersticas crticas de produto que poderiam

passar despercebidas se feitas de maneira aleatria.

Para identificar como as peas esto se interligando necessrio conhecer a

seqncia e as referncias de processo. Com base nestas informaes ser definida

a formao dos subconjuntos, e conjuntos.

A avaliao das interfaces se constitui em identificar todos os pontos de contato

entre as peas e avaliar nos trs sentidos ortogonais do sistema global de

coordenadas, qual ser o efeito deste contato no comportamento dimensional do

produto, tendo-se em vista a variao dimensional.

Esta avaliao permite predizer o comportamento futuro do componente com base

nos fatores dimensionais que vo alm das tolerncias, e podem at identificar a

necessidade de anl