BT/PME/0714 - Departamento de Engenharia Mecânica da Escola

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IMPORTÂNCIA DO USO DE MOCK-UPS E DE TÉCNICAS DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA E
FERRAMENTAL RÁPIDO NO PROCESSO DE DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO NA
INDÚSTRIA AUTOMOTIVA
1
Leonardo Macarrão Junior
General Motors do Brasil
Engenharia de Produto – Engenharia Experimental
Av. do Estado, 2880
09520-150 – São Caetano do Sul, SP – Brasil
e-mail: [email protected]
[email protected]
Prof. Dr. Paulo Carlos Kaminski
Escola Politécnica da Universidade de São Paulo
Departamento de Engenharia Mecânica
Av. Prof. Mello Moraes, 2231
05508-900 – São Paulo, SP – Brasil
e-mail: [email protected]
ABSTRACT
This paper shows how the utilization of the preliminary physical models – mock-ups – and the rapid
prototyping can simplify the Product Development Process (PDP). Their main characteristics are reducing
the development timing, identifying in advance the project and assembly problems, as well as fabrication
process concerns. Thus, high expenses are avoided in case of eventual problem correction in an advanced
phase of the project close to the start of production. Other approach of this paper is the rapid tooling
utilization, applied to small lots of prototyping parts fabrication, in order to reduce the timing fabrication
and the cost per prototype unit produced. Some mock-ups, rapid prototyping and rapid tooling fabrication
processes are presented. They are applicable not only to automobile industry but also to others types of
companies.
Key words: product development, prototypes, prototyping fabrication processes, mock-ups, rapid
prototyping, automotive body.
RESUMO
Este trabalho mostra como a utilização de modelos físicos preliminares – mock-ups – e a prototipagem
rápida podem facilitar o Processo de Desenvolvimento de Produto (PDP). Suas características principais
são reduzir o prazo de desenvolvimento, identificar precocemente os problemas de projeto, de montagem
e do processo de fabricação. Assim são evitados os altos custos na correção de um eventual problema em
uma fase adiantada do projeto, próximo ao início de produção. Outro aspecto abordado neste trabalho é a
utilização de ferramental rápido, aplicado à fabricação de pequenos lotes de peças protótipo, para reduzir
o tempo de fabricação e o custo por unidade protótipo fabricada. São apresentados alguns processos de
fabricação de mock-ups, de prototipagem rápida e de ferramental rápido, aplicáveis não só à indústria
automobilística, mas também a outros tipos de indústria.
Palavras-chave: desenvolvimento de produto, protótipos, processos de fabricação de protótipo, mockups, prototipagem rápida, ferramental rápido, carroceria automotiva.
_______________________
1 Artigo extraído do Trabalho de Conclusão de Curso “Importância do Uso de Mock-Ups e de Técnicas de Prototipagem Rápida e Ferramental Rápido no
Processo de Desenvolvimento de Produto na Indústria Automotiva” de Leonardo Macarrão Junior, apresentado à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo,
para obtenção do Título de Mestre Profissional em Engenharia Automotiva, sob a orientação do Prof. Dr. Paulo Carlos Kaminski
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1 INTRODUÇÃO
Segundo Daneshgari e Fletcher (2002), todos os componentes de um veículo automotivo possuem uma
relação estática ou dinâmica com os demais componentes que estão à sua volta. Por este motivo, o projeto
de cada uma das peças deve ser preciso a fim de proporcionar assentamento, montagem e funcionamento
perfeitos. O PDP deve contemplar além do projeto da peça propriamente dito, os processos de fabricação,
montagem, manuseio e transporte. Para Macarrão e Kaminski (2003), o alto volume de veículos
produzidos no período de sua vida útil requer um projeto bem elaborado.
Para Tolstedt (2002), um protótipo convida à crítica para o aperfeiçoamento do produto, pois é mais fácil
criticar algo pronto do que fazer um projeto novo. Mock-ups e protótipos são importantes ferramentas no
PDP. Sua principal característica é evitar o alto custo de correção de problemas em fases adiantadas do
projeto próximo ao início de produção.
Macarrão e Kaminski (2004) afirmam que as necessidades de avaliações e testes variam de acordo com a
fase de desenvolvimento em que se encontra o veículo. Cada componente ou sistema do veículo, por sua
vez, requer uma avaliação específica. Isso significa que um mock-up ou protótipo deve atender à
necessidade de avaliação a que foi proposto. Portanto, segundo os autores, cada situação será única e vai
requerer um processo de fabricação específico e a ele estará associado um prazo, custo, qualidade,
material de construção, resistência mecânica, forma de utilização e montagem, entre outros atributos.
Segundo Kotnis (1999), o tipo e a quantidade de protótipos a serem fabricados dependem especificamente
da fase de desenvolvimento em que o novo produto estiver. O autor afirma que peças em poliuretano
(PUR) ou provenientes de prototipagem rápida são utilizadas para verificações nas fases iniciais do
projeto, enquanto peças produzidas no mesmo material em que será produzido em série são utilizadas
para testes funcionais e de validação do produto nas fases avançadas do desenvolvimento do produto.
Para fabricar um lote de peças, se for utilizada a prototipagem rápida ou a fabricação manual, o custo
unitário da peça poderá ser elevado, o material de sua fabricação pode não atender aos esforços
solicitados e ainda haveria o risco de não ficarem prontas a tempo. O uso de ferramental rápido permite
fabricar um lote limitado de peças a prazo e custo compatíveis com o desenvolvimento do produto.
2 DESENVOLVIMENTOS DE ENGENHARIA
Smith (1999) afirma que, se para ganhar uma semana no desenvolvimento de um produto fosse necessário
desembolsar $100, qualquer empresa o faria com prazer. Mas, se a redução de uma semana
proporcionasse ganhos de $1.000.000, certamente a semana ganha não teria a menor importância. Para o
autor, o PDP normalmente possui quatro objetivos:
1. Desenvolver o produto utilizando recursos necessários, atendendo certo nível de desempenho,
conforme a especificação do produto;
2. Atender ao requisito previsto de custo unitário de manufatura;
3. Executar o projeto dentro do orçamento;
4. Concluir o projeto no prazo previsto.
Neste cenário, qualquer problema durante o PDP certamente comprometerá os objetivos da empresa.
Devido à necessidade de lançamento do produto cada vez mais rápida, time to market, os objetivos estão
se tornando cada vez mais difíceis de serem alcançados.
Segundo Volpato (1999), as principais finalidades dos protótipos são as reduções de tempo e custo,
aprendizagem, comunicação, integração, e redução dos riscos de inovação, encurtando assim as etapas do
PDP.
3
O custo de um protótipo é justificado com a economia no tempo de desenvolvimento do produto e no
ganho da qualidade do produto final. Isso resultará em grandes economias em estágios mais avançados
deste processo (figura 1).
Etapas do
PDP
Descrição
Custo médio por mudança
(dólar EUA)
1
Fase de simulação inicial
$ 1.000 – 4.000
2
Fase de testes, antes da liberação do produto
$ 20.000
3
Depois da liberação do produto
$ 100.000
Figura 1. Custo das mudanças de engenharia em várias etapas do PDP. (Volpato, 1999).
Isso significa que, se um problema ou oportunidade de melhoria for identificado na fase inicial do projeto,
o custo desta modificação será relativamente pequeno. Nesta etapa, este custo estará associado apenas à
mão de obra empregada no novo projeto a ser elaborado, pois ainda não há investimento em processo de
fabricação. Na fase seguinte, será a soma dos custos relativos ao tempo consumido no novo projeto,
investimento efetuado em ferramentas e moldes experimentais, construção de protótipos, à mão de obra
utilizada nestas atividades e aos testes já realizados.
Após a liberação do produto, as atenções acabam sendo direcionadas às modificações de ferramental e
processo, que além de caras, levam um grande tempo para serem concluídas. Muitas vezes, a modificação
requer a construção de ferramental novo, tornando o custo ainda maior. Um atraso deste tipo geralmente
adia o lançamento de um produto no mercado ou pode interromper a produção em série, comprometendo
toda a estratégia da empresa. A figura 2 ilustra como a utilização de um protótipo reduz o tempo de
desenvolvimento do produto.
Produção de moldes tradicional
Projeto da peça
Projeto do molde
Fabricação do molde
Projeto da peça
Protótipo
Redução de
tempo
Projeto do
molde
Produção de moldes com protótipo
Fabricação do molde
Tempo
Figura 2. Influência do protótipo em atividade subseqüente. (Volpato, 1999).
Da mesma forma, oportunidades de melhoria também são identificadas. Para Meerkamm e Wartzack
(2001), cerca de 70% dos custos de um produto são determinados no projeto. Por este motivo, a troca de
informações entre o projeto e a manufatura deve ser intensa. Um protótipo é uma ferramenta importante
nesta etapa do processo.
Um produto é considerado bom tecnicamente quando possui um custo operacional compatível para a
empresa, e atende à expectativa do usuário. Isso é resultante de um projeto bem elaborado.
3 MOCK-UP
Mock-up é um modelo preliminar em tamanho natural, construído em material de baixo custo e de rápida
modelagem. Não requer moldes ou ferramentas. Segundo Macarrão e kaminski (2003), seu principal
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atributo é o curtíssimo prazo, em geral horas ou no máximo poucos dias, em que é fabricado (figura 3).
Neste exemplo, um mock-up em cartolina de uma pinça de solda a ponto permite que sejam avaliados
todos os movimentos da pinça em relação à carroceria de um veículo a ser soldada. Se a movimentação da
pinça não for satisfatória, seu projeto poderá ser alterado antes que o veículo entre em produção.
Figura 3. Mock-up de uma pinça de solda a ponto. (Macarrão, 2004).
A finalidade de um mock-up não é testar a funcionalidade do produto, mas a sua análise física, seu
tamanho e espaço ocupado no conjunto. Também podem ser realizadas avaliações de montagem e acesso
de ferramentas. Por este motivo, o material a ser empregado não precisa oferecer grande durabilidade. O
acabamento superficial de um mock-up também é dispensável, pois isso aumenta o prazo de sua
conclusão e proporciona custo adicional desnecessário.
A figura 4 mostra uma análise comparativa da aplicação do mock-up da pinça de solda para definição da
geometria de seus braços. O mock-up construído a partir do projeto da pinça simula a operação de solda
em todos os pontos para os quais a pinça foi projetada. Para que o projeto seja aprovado, todos os pontos
de solda, sem exceção, devem apresentar posicionamento correto da pinça. Não deve haver interferência
entre a pinça e a carroceria ou o dispositivo durante o seu trajeto para acesso aos pontos de solda.
Se algum problema for identificado, o projeto da pinça deve ser corrigido. Com o projeto aprovado, a
pinça pode ser fabricada, e o resultado esperado na linha de montagem será o mesmo obtido nos testes
preliminares.
PRAZO
CUSTO (R$)
Mock - up
8 horas
Pinça
3 a 5 meses
Correção da pinça
2 a 3 meses
600
4000 a 4500
1000 a 1500
Figura 4. Quadro comparativo de custo e prazo. (Macarrão e Kaminski, 2003).
Este mock-up também pode permitir um estudo preliminar dos tempos de produção também pode ser
realizado, para planejamento do balanceamento de linha. Estas vantagens dificilmente são computadas
nos ganhos proporcionados pelos mock-ups.
3.1 MOCK-UP VIRTUAL
Certos casos podem ser avaliados com um mock-up virtual. Este estudo é mais rápido e o seu custo é
menor. Entretanto, sua aplicação é limitada à disponibilidade dos recursos necessários e, principalmente,
ao tipo de análise a ser efetuada.
Um mock-up virtual somente está disponível na tela de um computador (figura 5) ou em um ambiente
específico, como uma caverna virtual. Já um mock-up físico pode ser transportado para qualquer lugar.
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Figura 5. Avaliação virtual da montagem da mangueira do radiador. (Macarrão, 2004).
3.2 MOCK-UP FÍSICO E MOCK-UP VIRTUAL
Zwaanenburg (2002) argumenta que deve haver integração entre testes com protótipos físicos e virtuais.
Isso significa que o resultado obtido com testes virtuais deve ser utilizado na etapa subseqüente do teste
físico. Da mesma forma, o resultado do teste físico alimentará o teste virtual da terceira etapa, e assim
sucessivamente. Para Meerkamm e Wartzack (2001), o recurso da visualização virtual serve como apoio
ao projeto durante a fase do processo construtivo.
Algumas avaliações somente apresentarão um resultado confiável quando realizadas fisicamente. No caso
da avaliação de um volante, por exemplo, realizada com um mock-up construído fisicamente poderá
proporcionar ao avaliador / usuário uma análise perfeita do conjunto (figura 6).
O avaliador ao sentar-se no banco do mock-up, terá a sensação de estar dentro de um veículo verdadeiro.
Poderá, de acordo com a sua estatura, posicionar o banco, inclinação do encosto e posição dos espelhos
retrovisores. Também poderá avaliar o posicionamento ergonômico e a distância entre o volante e o tórax.
Verificará se existe alguma posição do volante que impeça a leitura dos instrumentos do painel ou
prejudique o acionamento da chave na ignição.
Todos estes detalhes tornam a avaliação muito próxima da situação real. O resultado obtido dificilmente
será distorcido e o avaliador não será sugestionado por qualquer fator externo. Com a posição do corpo e
braços corretamente ajustada, a avaliação da empunhadura do volante será perfeita. É possível inclusive,
sofisticando o exemplo, simular a textura e dureza da superfície do volante. Este procedimento levará à
certeza do projeto e a possibilidade de surpresas futuras será muito pequena.
Figura 6. Mock-up físico de um cockpit. (Livingstone, 2003).
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4 PROTOTIPAGEM RÁPIDA
Desde o desenvolvimento da primeira técnica em 1986, vários processos de prototipagem rápida foram
desenvolvidos neste período. Segundo Wohlers e Grimm (2002a), 15 empresas oferecem mais de 50
sistemas de prototipagem rápida diferentes. Os preços anunciados variam de US$ 45,000 a US$ 800,000.
As empresas, contudo, não apresentam os custos de manutenção e fornecimento de matéria prima para a
fabricação de protótipos. Normalmente, segundo os autores, o custo anual de manutenção preventiva é da
ordem de 10% do custo do equipamento.
Mesmo assim, os autores afirmam que o retorno do capital investido tem sido medido em meses, ao invés
de anos. Para isso é necessário que a máquina seja operada com eficiência. Outro fator importante é o
total controle sobre informações confidenciais. A grande vantagem dos processos de prototipagem rápida
em relação à prototipagem convencional é o curto intervalo de tempo requerido para a fabricação de um
modelo.
Por outro lado, Smith (1999) lembra que não é válida a economia de tempo em prototipagem rápida com
componentes que não estejam no caminho crítico do PDP. Neste caso, outros processos poderiam ser
utilizados. É importante saber utilizar os recursos disponíveis da melhor forma possível. A prioridade
deve ser dada às peças de maior prazo de desenvolvimento.
Segundo Gorni (2001), todos os processos de prototipagem rápida atualmente existentes são constituídos
por cinco etapas básicas:
1. Criação de um modelo Computer Aided Design (CAD) da peça que está sendo projetada;
2. Conversão do arquivo CAD em formato STL, próprio para estereolitografia;
3. Corte em fatias do arquivo STL em finas camadas transversais;
4. Construção física do modelo, empilhando-se uma camada sobre a outra;
5. Limpeza e acabamento do protótipo.
A espessura de cada camada do modelo é de 0,2 mm em média. O tempo de fabricação e a qualidade da
superfície do modelo estão diretamente ligados à espessura da camada. Para camadas mais finas, melhor
será o acabamento final e maior será o tempo de fabricação do modelo.
A maioria dos processos utiliza resinas para a fabricação de modelos. Alguns requerem pós cura. Outros
necessitam de suporte para sustentação do modelo enquanto este estiver em processo de fabricação. Neste
caso, após a conclusão do modelo, o suporte é facilmente removido e descartado. Dentre os principais
processos de prototipagem rápida estão:
SLA – Stereolithography. Foi o primeiro processo a ser desenvolvido e segundo Grimm (2002) é a
tecnologia de prototipagem rápida mais utilizada no mundo. Utiliza resina termo fixa líquida
fotossensível que é polimerizada por raio laser ultravioleta (UV).
SLS – Selective Laser Sintering. É semelhante ao processo SLA, porém o material utilizado é em pó e
pode ser resina termo fixa fotossensível, cerâmica, ou pó metálico.
FDM – Fused Deposition Modeling. Os modelos são fabricados em resina termoplástica AcrylonitrileButadiene-Styrene (ABS), poliéster ou policarbonato. Um cabeçote guia o bico extrusor que funde e
deposita o material camada por camada sobre uma base.
Impressão 3D – Como uma impressora de jato de tinta, deposita tinta sobre material pulverulento,
apoiado em uma base. O processo é repetido camada por camada até a construção total do modelo.
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Segundo Dickens, Hague e Wohlers (2000), a prototipagem rápida pode ser aplicada como prototipagem
direta, quando se utiliza a máquina de prototipagem rápida para fabricar um modelo, ou como
prototipagem indireta, quando a prototipagem rápida pode ser aplicada à fabricação de moldes e
ferramentas para fabricação de pequenos lotes de peças, conforme mostrado na figura 7.
Figura 7. Molde em prototipagem rápida FDM para fabricação de peças em resina de poliuretano.
(Macarrão, 2004).
5 ESTUDO DE CASO – COMPARATIVO
No exemplo do puxador da trava do capô, mostrado na figura anterior, foi solicitada a fabricação de 20
peças. Um estudo comparativo entre três alternativas para a fabricação deste lote de peças é mostrado no
quadro da figura 8.
O estudo mostra o custo de cada alternativa, com material e mão de obra utilizada em todo o processo,
desde o desenho eletrônico concluído até a entrega do lote de 20 peças.
Alternativas
1
2
3
20 peças em PUR
(método convencional)
20 peças em ABS.
(FDM)
20 peças em PUR
(molde em FDM)
Prazo
Horas / Dias
Custo (R$)
Material + M. O.
55
7
2.300,00
51
2,1
1.555,00
25
2
940,00
Figura 8. Quadro comparativo da fabricação de lote de 20 peças protótipo. (Macarrão e Kaminski, 2003).
A primeira alternativa utiliza o método de prototipagem tradicional. Neste processo, um modelador
constrói manualmente o modelo da peça em resina. A partir do modelo, o molde bi-partido é construído
manualmente em resina. Com o molde pronto, as peças são fabricadas em resina de poliuretano
formulada. Neste caso, a maior parte do custo do processo vem da mão-de-obra empregada. Consideramse apenas 8 horas de trabalho por dia.
Na segunda alternativa, todas as 20 peças são fabricadas em uma máquina de prototipagem rápida FDM.
É considerado o funcionamento da máquina 24 horas por dia. Neste caso, a maior parte do custo total é
proveniente de material.
Na terceira alternativa, a partir do desenho eletrônico da peça, foi desenhado um molde bi-partido. A
máquina de prototipagem rápida FDM construiu o molde. Com o molde, foram fabricadas as 20 peças em
resina de poliuretano.
Segundo Macarrão e Kaminski (2003), um prazo de sete dias úteis pode comprometer o andamento do
projeto de um veículo. Por outro lado, deve-se ponderar o uso da máquina de prototipagem rápida. Neste
caso, se ela fabricar um lote de peças que pode ser feito manualmente, ficará indisponível para fabricar
outros modelos, comprometendo o fluxo dos demais protótipos em andamento.
8
6 FABRICAÇÃO MANUAL DE MOCK-UPS
O mais antigo método de fabricação de mock-ups é o processo manual. É um processo utilizado até hoje e
sempre é uma alternativa a outros processos, a ser considerada na redução de prazo quando não houver
disponibilidade de máquina de prototipagem rápida ou de outros recursos.
A partir da análise do desenho do produto e da finalidade do mock-up, o modelador escolhe o material
para a construção do modelo. Utilizando um bloco sólido do material escolhido, o modelador dará forma
ao mock-up com o auxílio de ferramentas de desbaste, lixa e instrumentos de medição (figura 9).
Figura 9. Mock-up em poliuretano de um canister em suas fases de construção e após a conclusão.
(Macarrão, 2004).
7 FABRICAÇÃO DE MOCK-UPS EM CARTOLINA
Mock-ups fabricados em cartolina são utilizados, na maioria das vezes para simular peças em chapa
metálica. O maior uso deste processo é para avaliações visuais e de acesso de ferramentas. Apesar de
oferecer baixa qualidade de superfície, sua principal vantagem é o curto prazo de fabricação. Para
viabilizar este processo, são necessários um software e um equipamento que corta e imprime
informações. A montagem é feita à mão (figura 10).
Figura 10. Mock-up parcial em cartolina da região do teto com a coluna C esquerda de um veículo.
(Macarrão, 2004).
8 USINAGEM DE MODELOS EM MÁQUINA COMPUTER NUMERICAL CONTROL (CNC)
As máquinas de usinagem de alta velocidade de CNC proporcionaram ganhos significativos no tempo de
fabricação e principalmente na qualidade da superfície do modelo. Neste processo, a fabricação do
modelo se dá por remoção de material.
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Para Yang e Ryu (2001), as máquinas de usinagem de alta velocidade são melhores em redução de tempo
e custo em relação às técnicas de prototipagem rápida em casos em que o produto não possui cavidades,
conforme mostrado na figura 11. A comunicação entre o desenho eletrônico e a máquina é realizada
através da programação do caminho a ser percorrido pela ferramenta de corte.
Figura 11. Modelo de um motor usinado em poliuretano. (Macarrão, 2004).
9 COMPARAÇÃO SIMPLIFICADA ENTRE PROTOTIPAGEM RÁPIDA E USINAGEM CNC
Segundo Wohlers e Grimm (2002b), as duas tecnologias têm seu próprio mérito. Depois do lançamento
das máquinas de prototipagem rápida, o desenvolvimento das máquinas CNC também melhorou, em parte
devido à competitividade, para se tornarem mais rápidas. Por outro lado, a prototipagem rápida melhorou
seus requisitos de precisão, materiais e qualidade de superfície. A figura 12 mostra uma tabela
comparativa entre alguns dos principais requisitos destes processos.
Requisito
Prototipagem Rápida
Usinage m CNC
Material
Limitado
Quase Ilimitado
Tamanho máximo (mm)
600 x 900 x 500
Virtualmente Ilimitado
Complexidade
Ilimitado
Limitado
Detalhe característico
Variado
Variado
Precisão (mm)
0,125 a 0,75
0,0125 a 0,125
Repetitividade
Baixa
Alta
Acabamento (mícron)
2,5 a 15
0,5 a 5
Confiabilidade
Moderada
Moderada a alta
Mão-de-obra
Mínima
Significativa
Habilidade do operador
Mínima
Moderada a alta
Prazo de execução
Curto a moderado
Moderado
Figura 12. Quadro comparativo entre Prototipagem Rápida e usinagem CNC.
(Adaptado de Wohlers e Grimm, 2002b).
10
10 FERRAMENTAL RÁPIDO
Ferramental Rápido – Rapid Tooling (RT) são ferramentas para produção de peças em pequenos lotes. Na
construção destas ferramentas são utilizados materiais e processos mais baratos e mais rápidos de serem
construídos, se comparados com o ferramental definitivo de produção de peças em série.
Segundo Macarrão e Kaminski (2004), este recurso pode ser utilizado em diferentes processos de
fabricação, como por exemplo, para estampagem de peças metálicas, fabricação de peças em resina
injetada, laminação de peças em plástico reforçado com fibra de vidro, formação de peças plásticas a
vácuo, entre outros.
Como exemplo, Groth e Grimm (2002) citam que um molde de silicone é a solução ideal para a produção
de pequena quantidade de peças plásticas, devido à rapidez na obtenção das peças e ao custo acessível do
processo.
Analisando a questão de uma forma mais abrangente do que a realizada por Wohlers (2001), conclui-se
que os vários processos de ferramental rápido destinados à obtenção de pequenos lotes de peças são mais
antigos do que as tecnologias prototipagem rápida.
Isso é decorrente da necessidade de evitar o custo elevado de um ferramental capaz de produzir milhares
de peças, em ocasiões em que seriam necessárias apenas algumas dezenas de peças.
10.1 USO DE FERRAMENTAL RÁPIDO E DE PEÇAS EM PEQUENOS LOTES
Nas fases mais adiantadas do desenvolvimento do veículo são necessárias novas avaliações e testes
funcionais. São construídos veículos para vários tipos de testes requeridos, dentre eles os de
funcionamento de sistemas e de durabilidade para a validação do produto. Macarrão e Kaminski (2004)
afirmam que a fabricação destas peças se dá por ferramental rápido, a custo e prazos inferiores aos
requeridos pelo ferramental definitivo. Eventuais correções nesta fase custam menos e têm prazos
menores, sem comprometer o início de produção.
Knights (2001) cita como exemplo o prazo de 31 dias para a construção do ferramental rápido para a
fabricação de uma determinada peça de carroceria automotiva. Segundo o autor, o prazo para a fabricação
do ferramental definitivo pelo método convencional para a mesma peça foi estimado em três meses.
11 MOLDE LAMINADO POR PROCESSO MANUAL
Segundo Taylor e Bader (2001), o molde aberto é o processo mais comum utilizado para fabricação de
peças laminadas em resinas. Teoricamente, qualquer tipo de reforço pode ser utilizado neste tipo de
laminação. Nestes materiais, estão incluídas a fibra de vidro e a fibra de carbono. Segundo os autores, é
um processo relativamente simples, com baixo investimento, porém com alto grau de trabalho manual.
O molde aberto permite apenas uma superfície de contato com a peça. Por este motivo, a superfície
oposta da peça não será representativa. Para a fabricação do molde é necessário construir um modelo da
superfície da peça. Quanto melhor estiver a superfície do modelo, melhor será a superfície do molde e
conseqüentemente melhor será a superfície das peças laminadas.
Quando o modelo não possuir ângulo de saída adequado, não será possível retirar o modelo do molde
devido à sua rigidez. Isso também inviabilizaria a remoção da peça laminada. Neste caso, para a
fabricação de peças protótipo, uma alternativa é fazer o molde dividido em partes, de acordo com a forma
da peça, conforme mostrado na figura 13. Esta necessidade encarece o molde e aumenta o seu prazo de
fabricação.
11
Figura 13. Molde laminado tripartido de um pára-choque. (Macarrão, 2004).
11.1 VACUUM BAGGING – INVÓLUCRO PARA VÁCUO
Para se obter uma peça com a espessura homogênea e diminuir a incidência de bolhas na superfície da
peça, o molde com a peça laminada pode ser submetido ao vácuo.
O conjunto deve ser introduzido em um invólucro fabricado a partir de um filme de plástico resistente e
fechado com uma fita vedante, conforme mostrado na figura 14. A pressão negativa faz com que o
material laminado seja forçado a assentar sobre a superfície do molde. O vácuo é aplicado durante o
processo de reação e endurecimento da resina.
Figura 14. Invólucro do processo vacuum bagging. (Adaptado de Fouquet, 1996).
Segundo Macarrão e Kaminski (2004), durante a laminação da peça, sobre o material laminado, pode ser
colocado um tecido permeável ou um filme de plástico perfurado e sobre este filme, uma camada de
manta absorvedora. À medida que o material laminado é comprimido contra o molde devido ao vácuo, o
excesso de resina passa através dos furos do filme plástico e é absorvido pela manta, que é descartada
posteriormente.
Este filme plástico tem também a função de impedir que a manta grude na peça laminada. A manta, por
sua vez, além de absorver o excesso de resina, facilita o fluxo de ar para os bicos de sucção, evitando a
formação de bolhas de ar na peça. O tecido não deve conter resina em demasia, pois a manta é capaz de
absorver um volume limitado de resina.
12 MOLDE PARA INJEÇÃO DE RESINA
O processo de moldagem por injeção e reação – Reaction Injection Molding (RIM) geralmente é utilizado
na produção de peças protótipo que durante o processo produtivo serão injetadas em material
termoplástico, desde peças pequenas como tampas de acabamento de furos até pára-choques.
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Ao contrário do molde laminado, o molde para injeção de resina é fechado e forma a peça completa, com
todas as suas faces, inclusive com seus pontos de fixação. Atualmente o mercado oferece resinas com
períodos de reação e endurecimento que variam desde poucos minutos até superiores a 24 horas. Quanto
mais rápida for a reação e o endurecimento da resina, mais rápida será a produção do lote de peças
protótipo.
12.1 MOLDE RÍGIDO
A construção da primeira metade do molde é similar ao molde laminado. Da mesma forma devem ser
observados os ângulos de saída que desfavorecem a desmoldagem. Quando isso acontecer, o molde
deverá ser construído em partes, as quais são guiadas por pinos e fixadas entre si por parafusos, para que
sejam desmontadas no momento de retirada da peça formada.
Segundo Braga (2001), o molde em resina laminada com fibra de vidro recebe estrutura externa em
madeira em ambas as partes. Sobre a primeira metade do molde que já foi concluída, é aplicado um filme
de cera sólida maleável. Este filme tem a mesma espessura da peça que será injetada. A função desta cera
é ocupar o espaço que será da peça durante a fase de fabricação da segunda metade do molde.
Após esta etapa, deve ser efetuado um estudo pormenorizado da face interna da peça, pois normalmente
as peças possuem pontos de fixação, alojamentos de parafusos, e encaixes de montagem na carroceria.
Nessas regiões, o molde possui pequenas partes móveis, chamados de gavetas ou postiços, devido ao tipo
de movimentação de montagem e desmontagem no molde. As gavetas servem para permitir a
desmoldagem da peça e depois de concluídas, permanecem posicionadas no local onde foram construídas.
A partir daí é construído então a segunda metade do molde.
A injeção de resina no molde poderá ser feita por um equipamento específico, que consiste de dois
reservatórios, um para resina e o outro para o endurecedor. Com o ajuste do dispositivo regulador de
proporção, a resina e o endurecedor são bombeados simultaneamente por mangueiras independentes na
proporção estequiométrica. As mangueiras são acopladas a um bico misturador, que mistura e
homogeneíza a resina bombeada para o interior do molde.
Segundo Braga (2001), o bombeamento é executado até que comece a verter resina livre de bolhas pelos
orifícios de saída de ar. Neste caso, o molde precisará ser fixado com parafusos ou grampos de
fechamento, conforme mostrado na figura 15, a fim de suportar a pressão interna de injeção da resina sem
se deformar. Dependendo do tipo de resina utilizada, a peça pode ser desmoldada em até duas horas após
o término da injeção.
Figura 15. Molde fechado de um pára-choque dianteiro durante a injeção de resina. (Braga, 2001).
A resina também pode ser injetada no interior do molde por gravidade. Esta operação deve ser realizada
com resina de reação lenta. A resina tem seus componentes misturados em um pote, e a mistura
homogênea é vazada por um funil pelo ponto mais alto do molde. São abertos furos para saída de ar,
estrategicamente localizados em vários pontos do molde. Se o ar não sair completamente, a peça ficará
com bolhas.
13
12.2 MOLDE FLEXÍVEL
Peças protótipo em resina podem ser fabricadas em moldes de borracha vulcanizada à temperatura
ambiente – Room Temperature Vulcanized (RTV), a custo e prazo baixos. Este processo permite que
peças de forma complexa sejam fabricadas com certa simplicidade.
Braga (2001) mostra que o molde pode ser fabricado inteiro de uma só vez. Neste caso, o modelo é
posicionado no interior de uma caixa, apoiado sobre fios de arame e um corpo que formará o canal de
injeção de resina para a fabricação da peça. O silicone é formulado e submetido ao vácuo para remoção
do excesso de bolhas de ar. Em seguida, é despejado na caixa para formação do molde.
O autor alerta que a cura do molde de silicone deve ocorrer dentro de uma câmara de pressão positiva. A
pressão impedirá que pequenas bolhas de ar que estejam no interior do silicone se expandam com o
aumento da temperatura decorrente da reação química. A pressão deverá ser mantida durante todo o
período de cura. Isso fará com que as bolhas não sejam percebidas a olho nu.
A figura 16 mostra a construção de um molde para fabricação da lente de uma lanterna de caminhão.
Braga (2001) afirma que a partir de um modelo, a primeira peça é obtida após 48 horas.
Figura 16. (a) Caixa com o modelo; (b) Corte para abertura do molde; (c) Molde de silicone aberto com a
peça extraída. (Braga, 2001).
13 MOLDE PARA TERMO FORMAÇÃO DE PEÇAS PLÁSTICAS
No processo de termo formação de peças plásticas - vacuum forming, é utilizado um molde aberto para
moldar folhas de termoplásticos, como o polipropileno (PP), ABS, PETG, entre outros.
Segundo Sala, Landro e Cassago (2002), o material a ser moldado é aquecido a temperatura menor do que
a sua temperatura de fusão. Keefer, Martindale e Morrisson (1998), advertem que alguns plásticos como o
acrílico e o policarbonato possuem moléculas de água no seu interior, decorrentes do processo de
fabricação. Se o plástico for aquecido a temperatura mais alta, a água vaporizará e formar-se-ão pequenas
bolhas no interior do plástico, prejudicando a qualidade da peça formada.
Sob o molde é construída uma câmara de vácuo, que tem por finalidade direcionar o fluxo de ar para a
bomba de vácuo. O molde deve ser fabricado em material que suporte a temperatura do plástico a ser
moldado e poderá ser feito em material poroso. Para materiais não porosos, o molde recebe pequenos
furos, por onde passará o ar para a câmara de vácuo. Estes furos devem ser abertos estrategicamente em
locais onde houver raios e depressões na forma da peça. Isso vai garantir que o material aquecido se
alongue até alcançar as partes mais baixas do molde, conforme figura 17.
Para fabricar uma peça neste processo, o material a ser moldado deverá ser fixado a uma estrutura rígida
em madeira, metal ou outro material de fácil manuseio. O plástico é aquecido até que comece a amolecer.
Isso ocorre em poucos minutos e o material estará então flexível, pronto para a moldagem.
O material aquecido é posicionado sobre o molde. Ao redor da forma da peça, deve ser colocado um filete
de material de vedação. O próprio plástico aquecido, em contato com este filete, impedirá a entrada de ar.
Com o acionamento da bomba de vácuo, o material aquecido e flexível será puxado contra a superfície do
molde.
14
Figura 17. Molde da metade de um reservatório de fluido. (Macarrão, 2004).
Como neste processo o material é estirado sobre o molde, existe variação na espessura da peça. A região
onde haverá maior estiramento do material, e conseqüentemente menor espessura, dependerá da
tecnologia utilizada no processo, conforme mostrado na figura 18.
Figura 18. Duas diferentes tecnologias de vacuum forming. (Adaptado de Sala, Landro e Cassago, 2002).
14 FERRAMENTA PARA CONFORMAÇÃO DE PEÇAS EM CHAPA METÁLICA
A conformação de peças em chapa metálica não é possível sem a utilização de ferramentas de
conformação apropriadas. Cada peça requer uma ferramenta individual e isso requer tempo e custo
consideráveis.
Segundo Macarrão e Kaminski (2004), para peças de forma simples, a ferramenta de conformação pode
ser fabricada sem a necessidade de que a superfície da peça seja usinada em máquina CNC. Neste caso, o
operador fabricará a ferramenta utilizando operações manuais, soldagem e recursos de máquinas
operatrizes, conforme mostrado na figura 19. Em operações manuais, cada operador utiliza os métodos e
recursos que melhor se adaptem às suas habilidades.
A fabricação de ferramentas em resina formulada ou em ligas de zinco, vazados sobre a superfície de um
modelo é o método mais utilizado para testes e produção de pequenos lotes de peças. Este processo
permite fazer o ferramental rapidamente e a baixo custo.
Para Hollis e Nakao (1996), as ferramentas para conformação de metais normalmente estão no caminho
crítico de qualquer desenvolvimento de veículo automotivo. Mesmo para a fabricação de peças protótipo,
a fabricação de ferramentas pelo processo convencional requer de 10 a 12 semanas. Já um processo de
15
fabricação de ferramentas em resina ou em ligas de baixo ponto de fusão, como zinco, bismuto ou
kirksite, o prazo é inferior a sete semanas, comparam os autores.
Figura 19. Ferramenta de conformação de peças pequenas em chapa metálica. (Macarrão, 2004).
Segundo Barros (2001), resina formulada e placa usinável de resina podem ser utilizadas em uma mesma
ferramenta. Ele cita como exemplo a fabricação de uma ferramenta para conformação de uma longarina,
onde o punção e o anel foram usinados e a matriz foi confeccionada com resina formulada. Segundo o
autor, o tempo necessário até a conformação da peça é de 12 a 15 dias de trabalho. A tabela da figura 20
mostra a comparação destas duas técnicas com a usinagem da ferramenta em aço.
Parte da
Ferramenta
Matriz
Anel
Punção
Total
Aço
(horas)
140
70
90
300
Placa de Resina Usinável
(horas)
Resina Formulada +
Encorpante (horas)
60
35
25
120
30
35
25
90
Figura 20. Quadro comparativo de horas trabalhadas na ferramenta de uma longarina.
(Adaptado de Barros, 2001).
A fabricação de uma ferramenta de conformação em resina formulada é realizada sobre a superfície do
modelo. Ao redor do modelo é criada uma superfície de separação das partes da ferramenta. O modelo
complementado recebe paredes laterais, formando sobre si um caixote. Após a aplicação do desmoldante,
a resina formulada é vazada no interior do caixote, que é removido após a cura da resina. Sobre a matriz
formada, é aplicada uma camada de material para ocupar a espessura da peça a ser formada. Em seguida
são construídos o punção e o anel de maneira semelhante.
Hollis e Nakao (1996) alertam que neste processo a contração da resina após a cura deve ser próxima de
zero. Para reduzir este problema, a elevação da temperatura decorrente da reação exotérmica da resina
deve ser contida. Uma solução citada é a introdução de pequenos pedaços de resina curada no caixote
durante o processo de enchimento da ferramenta, de 40% a 50% do volume. A resina curada é obtida a
partir de uma ferramenta antiga, britada. Isso significa que, além de reduzir o descarte do material curado,
haverá redução no custo da resina formulada. Ainda segundo os autores, testes mostraram contração de
até 0,0015 mm/mm.
Pode ser adicionado à resina formulada um encorpante de grão fino, que proporciona vários benefícios ao
processo. Como ele não participa da reação química, pelo fato de diminuir o volume de resina utilizada,
evita o aumento excessivo da temperatura. Também reduz o custo final da ferramenta.
16
A fabricação de peças pequenas pode ser realizada em prensas de movimento lento. Nem sempre a peça
sai totalmente conformada. Muitas vezes, o operador utiliza ferramentas manuais para fazer parte da
conformação. Essa operação pode ser realizada em regiões de flanges ou como operação inicial. Quem dá
a forma final na peça, contudo, é a ferramenta de conformação. Isso garante que as peças produzidas
estejam dentro da tolerância especificada pelo desenho.
O recorte e furação da peça podem ser realizados a mão, porém a peça precisa ser traçada. Para tornar a
operação mais rápida e garantir melhor acabamento e precisão às dimensões da peça, esta operação pode
ser realizada por corte a laser, conforme mostrado na figura 21. A programação do corte é feita a partir do
desenho eletrônico. Cada peça é fixada a um dispositivo de posicionamento especialmente confeccionado
para este fim.
Figura 21. Operação de corte a laser da peça sobre dispositivo de posicionamento. (Macarrão, 2004).
15 ESTUDOS DE CASOS – EXEMPLOS DE APLICAÇÃO
Segundo Macarrão e Kaminski (2004), durante o processo de desenvolvimento de veículos, cada
aplicação de mock-up ou peça protótipo deve atender ao requisito de avaliação, que variam de acordo
com a fase de desenvolvimento em que se encontrar o projeto.
Para os autores, a partir desta necessidade, será escolhido o processo de fabricação que apresentar menor
prazo, menor custo e melhor resultado, contribuindo para o desenvolvimento de cada componente sem
onerar o projeto e, principalmente, não comprometer o prazo.
Nos casos abaixo, são apresentados prazo, custo e aplicações. Como o custo de material e mão-de-obra
das peças é uma informação restrita, este será apresentado na forma de uma unidade especialmente criada
para este trabalho, a Unidade Monetária de Referência – UMR, a fim de permitir a comparação entre os
processos.
15.1 CASO 1
Mock-up de um canister, conforme mostrado na figura 9.
Construído pelo processo manual em poliuretano usinável, tem como principal objetivo a avaliação de seu
posicionamento e montagem no veículo. Sua fabricação é realizada em 2 dias e custam 12 UMR. Neste
processo a mão-de-obra deve ser especializada.
A fabricação manual não depende de equipamento específico. É utilizada para peças de forma
relativamente simples ou quando não houver disponibilidade de máquina em outros processos como a
17
prototipagem rápida. Este processo não é indicado quando forem necessárias várias unidades da mesma
peça. Neste caso, a fabricação manual é mais atrativa do que a usinagem em máquina CNC.
15.2 CASO 2
Modelo de um motor usinado, conforme mostrado na figura 11.
Construído em poliuretano usinável em uma máquina de usinagem CNC de alta rotação, este mock-up
pode ser montado no veículo para avaliação de assentamento, montagem e acessos dos demais
componentes instalados no compartimento do motor.
Se fabricado a mão, o modelo do motor seria um bloco contendo apenas as dimensões e formas
principais. Seu prazo de fabricação seria proporcional ao nível de detalhes fabricados no modelo, sem
apresentar ganho significativo, em relação à usinagem por máquina CNC. Sem a riqueza de detalhes, a
avaliação do modelo certamente estaria comprometida.
Sua construção requer 9 dias de trabalho, porém a programação do caminho de ferramenta pode ser
realizada, em sua maior parte, em paralelo a usinagem, reduzindo assim o prazo. O custo é de 60 UMR.
15.3 CASO 3
Peças em chapa metálica, conforme mostrado na figura 19.
Para fabricar peças em chapa metálica de forma simples, é possível obter uma ferramenta sem que seja
necessário usiná-la em máquina CNC.
A superfície da ferramenta é formada a partir de peças usinadas em máquinas operatrizes convencionais,
montadas sobre uma base de referência. A conformação da peça se dá em prensa de movimento lento e o
seu recorte pode ser feito a laser. Isso garante melhor precisão dimensional e agiliza o processo de
fabricação do lote de peças.
Neste exemplo, são necessários 8 dias de trabalho para fabricar a ferramenta e a primeira peça acabada,
ao custo de 48 UMR.
Peças deste tipo podem ser utilizadas em um veículo funcional para testes dinâmicos. Se fabricada no
material especificado em projeto, a peça terá as mesmas características mecânicas de uma peça de
produção seriada e poderá ser utilizada em testes de validação do veículo.
16 CONCLUSÃO
A utilização de mock-ups durante o PDP proporciona ganhos significativos de prazo e custo. Auxilia o
entendimento de questões de projeto, facilitando o projeto do produto propriamente dito, assim como o
processo de fabricação e seus dispositivos e ferramentas.
Um protótipo deve simular não só o produto em si, mas também o processo de fabricação da peça em
produção seriada. Com isso, será possível obter ganhos no processo, mediante melhorias ou até
modificações de produto.
Cada situação de fabricação de mock-up ou protótipo é única. Não existe uma regra simples para
determinação do melhor processo a ser utilizado. Muitas são as variáveis, desde o tipo de peça a ser
avaliada até o tipo de teste a ser efetuado. Para se obter a melhor alternativa, é necessária uma avaliação
criteriosa do caso.
Devido ao dinamismo do processo, mock-ups e protótipos devem ser fabricados da forma mais rápida
possível. Por outro lado, uma peça de baixa qualidade não é tolerada nem mesmo para pequenos lotes.
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Antes de fabricar, é necessário analisar a função a ser desempenhada pelo mock-up, para escolher o
material e o processo de fabricação que melhor atenda a esta necessidade. Deve também ser considerado
o custo e prazo de fabricação, permitindo a viabilidade do projeto.
Para otimizar o processo, várias técnicas de fabricação podem ser utilizadas em um mesmo
desenvolvimento. Sua utilização vai muito além das citadas neste artigo.
Em testes dinâmicos e validação do veículo, os protótipos funcionais devem ser representativos. Isso
significa que as peças protótipo precisam ter material, dimensões e formas conforme especificações de
projeto e produzidas por um processo similar ao de produção seriada.
É fundamental que cada empresa tenha desenvolvido seus próprios métodos de fabricação e esteja apta a
executá-los com a qualidade necessária. Isso evitará a necessidade de contratar fontes externas para a
fabricação de modelos e peças. Será, portanto, a garantia do sigilo sobre o projeto e possibilitará maior
autonomia e rapidez no desenvolvimento de veículos e sistemas.
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ferramentaria. Huntsman - Vantico Ltda. São Paulo, 2001. CD-ROM.
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