BSC - CORRECAO 05-11-15

AUTOMAÇÃO DO PROCESSO PRODUTIVO DE UMA
MÁQUINA DE FRALDAS MANUAL
Automation of the production process of a manual diaper machine
MEDINA, Josilane Oliveira
Faculdade Max Planck
CAMARGO, Jéssica Vitória Zerbine
Faculdade Max Planck
Resumo: Ao longo dos anos a demanda de fraldas descartáveis utilizada pela
população carente do município de Indaiatuba teve crescimento além do ofertado
pelas entidades assistenciais causando sobrecarga nas doações feitas pelas
mesmas. Diante do exposto, a escolha do tema se deu devido ao alto crescimento
da necessidade do produto e baixa produtividade de fraldas atualmente fabricadas
manualmente na Instituição doadora. No projeto, desenvolveu-se um sistema
automático de produção adaptado a uma máquina de fraldas descartáveis que se
caracteriza por utilizar como base os princípios da pneumática, a fim de contribuir no
aumento da fabricação e doação de fraldas da Instituição para entidades
assistenciais à população carente. Para desenvolvimento do sistema e contribuição
da modelagem, utilizou-se o software Fluidsim. O projeto possibilitou o aumento
produtivo da máquina atualmente manual em tempo de fabricação, aumento de
segurança do operador e redução de mão de obra. Os resultados obtidos foi
projeção de uma máquina de fraldas rápida, segura e mais eficiente, sendo base
para pesquisas futuras de modelos diferenciados de fraldas ou mesmo de controles
e acionamento por comandos eletrônicos.
Palavras-chaves: Pneumática, Atuadores pneumáticos, Máquina de fraldas.
Abstract: Over the years the demand for disposable diapers used by the poor
population in the city of Indaiatuba, grew beyond the offered by charities institutions
and that caused overload on donations made by them. Therefore, the choice of the
theme was made based by the high growth of need of the product and the low
productivity of diapers currently manually manufactured in the donor institution. In the
project, was developed an automatic system of production adapted to a disposable
diaper machine which is characterized by using as a basis the principles of
pneumatic, to contribute to increased the manufacturing and donation of diapers of
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charities institutions for poor population. For the system development and modeling
contribution, was used the FluidSIM software. The project enabled the production
increase of the machine, that is currently manual, in manufacturing time, increase the
operator safety and manpower reduction. The results reached was the projection of a
diaper machine faster, safer and more efficient, being the basis for future research of
different models of diapers or even controls and drive with electronic commands.
Keywords: Pneumatic, pneumatic actuators, diaper machine.
INTRODUÇÃO
Atualmente a necessidade de doações de fraldas descartáveis para entidades
assistenciais no município de Indaiatuba vem crescendo. Isso se deve a demanda
da população carente atendida por essas entidades e a baixa ajuda vinda de órgãos
governamentais. Essas doações que em sua maioria vem de empresas e
particulares, não são suficiente para atender a demanda do município que chega a
sessenta mil fraldas por mês – entre infantil e geriátrica – dado informado pela
Federação das Entidades Assistenciais de Indaiatuba (FEAI).
Diversas empresas no mercado, como a Rimaq ou Compacta Print, hoje
produzem e vendem máquinas simples e manuais que fabricam fraldas descartáveis
a baixo custo e produção de cerca de seis fraldas/minuto, mais o tempo de corte,
dobragem e embalagem, sendo que seus maiores clientes são pessoas informais,
porém essas máquinas demandam de muita mão de obra em seus processos e sua
qualidade não se iguala as produzidas em larga escala de fabricantes populares do
mercado.
A produção de fraldas descartáveis para atendimento das necessidades das
entidades assistências do município de Indaiatuba hoje é fator não existente na
cidade. Não foi encontrado projetos governamentais ou de ONGs (Organizações
Não Governamentais) que buscam amenizar ou mesmo resolver esse problema
enfrentado pelas entidades e que ajudaria a população carente desse recurso,
sendo tão necessária a higiene e saúde corporal dos usuários desse produto.
Esse projeto tem como objetivo a adaptação e automatização de uma
máquina de fraldas manual existente no mercado, reduzindo em seu processo fabril
a manipulação humana, implantando processos mecânicos e pneumáticos no corte
de encaixe das pernas e separação individual do produto, com sistemas
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automatizados monitorados por sensores, a fim de produzir quantidades suficientes
para atendimento da demanda das entidades, mantendo a higienização do processo
e produto, reduzindo mão de obra e contaminantes, ao mesmo tempo produzir com
qualidade similar aos produtos existentes no mercado.
OBJETIVO GERAL
A partir da máquina atualmente localizada na fábrica de fraldas da Faculdade
Max Planck, utilizada na fabricação de fraldas descartáveis que são doadas ao
município de Indaiatuba o projeto parte da implantação de um sistema que será
adicionado à máquina de fralda. Esse sistema automatizado, baseado nos princípios
da mecânica, elétrica, dinâmica e pneumática, utilizará de motor elétrico, atuadores
pneumáticos e sensores para aumentar a produção da máquina em mais de 100%,
melhorar qualidade e higienização do produto acabado, além da segurança do
operador.
AUTOMAÇÃO
O termo automação provém do latim “Automatus”, que significa mover-se por
si, sendo a automação como uma aplicação de técnicas envolvendo equipamentos
eletrônicos ou mecânicos que controlam seu próprio funcionamento quase sem a
intervenção de mãos humanas em qualquer processo, diminuindo os custos e
aumentando a velocidade da produção.
Automação industrial é a aplicação das técnicas de automação no processo
industrial, com o objetivo de aumentar a sua eficiência, maximizar a produção com o
menor consumo de energia e/ou matérias primas, menor emissão de resíduos de
qualquer espécie, melhores condições de segurança, seja material, humana ou das
informações referentes a esse processo e maior qualidade do produto final.
HISTÓRIA DA AUTOMAÇÃO
A Revolução Industrial divide a história das civilizações em duas épocas
distintas: Pré-revolução onde a economia evoluía muito lentamente e Pós-revolução,
a evolução tecnológica passou a mover a vida econômica (MAGNOLI & ARAÚJO,
2004).
A necessidade de produzir mais e melhor a partir da segunda metade do século
XVIII levou à Revolução Industrial, sendo grande marco da substituição do trabalho
Pág. 078
braçal por máquinas que executavam a mesma tarefa com maior eficiência e
qualidade, acelerando o processo de transformação e desenvolvimento de
tecnologias.
A História da Automação Industrial está ligada diretamente a Terceira
Revolução
Industrial,
também
chamada
de
Revolução
Técnico-Científica
Informacional que se iniciou em meados da década de 40 logo após a Segunda
Guerra Mundial, correspondendo ao processo de inovações no campo da
informática e suas aplicações nos campos da produção e do consumo. Este
processo de inovações teve a liderança dos Estados Unidos, que se tornou a grande
potência econômica deste período (VASQUES, 2010).
Essa implantação de tecnologia inovadora no chão de fábrica, colocando
controles eletrônicos, sensores e dispositivos capazes de gerenciar uma grande
quantidade de variáveis de produção, permitiu a tomada de decisões de controle de
dispositivos de forma autônoma, tendo como resultado a elevação da qualidade dos
produtos, o aumento da produção, a gestão dos custos e a melhoria da segurança
na produção, tanto processual, quanto operacional.
INDUSTRIALIZAÇÃO NO BRASIL
A Industrialização no Brasil não ocorreu de forma nacional, o Brasil com suas
dimensões continentais e falta de estrutura de transportes e produção de matéria
prima, acabou concentrando o crescimento de suas indústrias na Região Sudeste,
perto dos portos e aeroportos mais importantes do país e de onde poderia ser
escoada a produção para o mercado nacional e internacional.
A indústria no Brasil iniciou empregando pouca tecnologia com atuação na
indústria têxtil, alimentícia, fábrica de sabão e velas. A industrialização do país viria a
se intensificar a medida que a população dos grandes centros aumentava e o
surgimento da produção de bens de consumo para atender a crescente demanda.
Esse aumento foi forçado principalmente pela queda na produção do café causando
o movimento migratório do homem do campo para a cidade, somando-se a eles
imigrantes da Europa pós-guerra que vieram em busca de novas oportunidades,
trazendo com eles novas práticas e técnicas de produção somando alemães,
italianos e espanhóis a força de crescimento trazendo o conhecimento necessário
para o fortalecimento dos processos produtivos.
Pág. 079
Na segunda metade do século XX é que ocorreu a instalação de indústrias
multinacionais que atuavam principalmente no segmento automobilístico, químico,
eletroeletrônico e farmacêutico, a partir de então o Brasil entrou definitivamente no
processo de industrialização deixando de lado a tendência de país produtor primário
para o modelo de estado industrial e com grandes centros urbanos.
AUTOMAÇÃO DA LINHA DE PRODUÇÃO
Atualmente as linhas de produção visam uma operação mais rápida e com um
menor custo de produção, seja com mão de obra, desperdício de matéria-prima e
manutenção de equipamentos, garantindo assim um produto mais barato e um maior
lucro, tornando os produtos mais competitivos no mercado. A automação permite
que hoje os processos se tornem mais seguros, impossibilitando que os operadores
façam intervenções aos equipamentos em funcionamento, através do uso de
sensores e relés. Além de segurança temos um aumento significativo na qualidade
dos produtos, pois não dependemos mais de mão de obra humana, passiva de erros
e sim de equipamentos, quando em bom estado trabalham precisamente e por um
longo período.
Um exemplo atual é uma linha de produção de médio porte convencional,
com uma velocidade de produção de aproximadamente trezentos frascos por
minuto, opera com quatro colaboradores, para garantir que os equipamentos
estejam operando de forma correta, para realizar o abastecimento de matéria-prima
e garantir a qualidade do produto (fonte: UNILEVER – Vinhedo/SP).
FUTURO DA AUTOMAÇÃO DA LINHA DE PRODUÇÃO
De acordo com Dr. Hajime Yamashina, Professor Emeritus, da Kyoto
University e um dos principais disseminadores de WCM – World Class
Manufacturing1 no mundo, a visão de um futuro não distante é de linhas de
produção, totalmente automatizada e robotizada, desde o abastecimento de
matérias primas, processo produtivo, ao controle de qualidade (qualidade simultânea
1
World Class Manufacturing é um conjunto de conceitos, de princípios e de técnicas para a gestão dos processos operativos
de uma empresa. O primeiro registro do termo foi feito por Richard Schonberger, responsável pela introdução de diversas
técnicas de produção nipônicas, como o just-in-time, nos Estados Unidos. Contudo, como sistema estruturado de gestão
metodológico que o conhecemos e inicialmente formatado para o Grupo Fiat, sua criação se deve inteiramente ao Dr. Hajime
Yamashina.
Pág. 080
ao processo), não tendo mais que ser analisado por lotes eliminando retrabalhos, a
limpeza da área de produção e a eliminação de ruídos hoje gerados pelos
equipamentos, terá apenas um colaborador supervisionando o trabalho das
máquinas, para evitar quais quer desvios. Sem contar em um time enxuto de
manutenção, onde não teremos mais quebras de equipamentos e sim manutenção
preventiva. Com isso podemos diminuir em torno de 80% da equipe de manutenção.
(YAMASHINA, 2013).
Toda essa mudança Industrial se deve a evolução e a diminuição dos preços
dos computadores de altas tecnologias, por exemplo, em 1985 o computador mais
rápido do mundo era o Cray-2 que custava 30 milhões de dólares e hoje um iPad
tem capacidade de processamento superior a ele. Em média o preço dos sensores
utilizados em aparelhos eletrônicos caiu 85% na última década. (EXAME, 2014).
Outra característica importante é a utilização de ferramentas e arquivos
digitais, onde podemos prever erros e corrigi-los antes mesmos que aconteçam e
gerar um banco dados para projetos futuros. (EXAME, 2014).
A exemplo das indústrias automobilísticas a modernização de processos
diminui o tempo para a elaboração dos novos projetos em torno de 50% e também
diminui o tempo de montagem em torno de 25%, sendo um ganho maior para
produção final.
Henning Kagermann, diretor da Academia Alemã de Ciência e Engenharia
afirma que em uma fábrica inteligente, toda a linha de montagem conversa
(comunicação) de forma simultânea com o processo de fabricação, assim como
unidades de diferentes lugares trocam informações entre si, como estoque e
compras. Há uma comunicação eficiente e natural, como pessoas em uma rede
social. (EXAME, 2014).
O PRODUTO: HISTÓRIA E NECESSIDADE
Fralda é um insumo de utilização íntima, para armazenar as necessidades
fisiológicas não controladas pelos pacientes ou crianças de idade abaixo de dois
anos. Dessa forma, os idosos, crianças ou pessoas com distúrbios intestinais que
tenham problemas em controlar as suas necessidades fisiológicas necessitam
utilizá-las diariamente (ALVES, 2013).
A necessidade da fralda é tão antiga quanto à história da própria humanidade.
Existem relatos Egípcios, Astecas e Romanos que falam sobre as roupas utilizadas
Pág. 081
na antiguidade, desde o uso de folhas e peles de animais. Tudo isso aconteceu,
porque o homem sempre sentiu necessidades e buscou satisfazê-las.
Os problemas com as assaduras nos bebês nos acompanham ao longo dos
séculos. Na antiguidade, as fraldas eram usadas por vários dias. Na época dos
pioneiros do oeste americano, as fraldas molhadas raramente eram lavadas, apenas
eram secadas em chaminés para depois serem utilizadas novamente. Os esquimós
do Alaska usavam peles de animais recheadas de musgo. Os nativos americanos
usavam peles de coelhos recheadas com pasto e capim. Os Armênios usavam um
pano recheado com uma areia fina (LAUTERBACH, 2008).
A evolução começou quando se passou a estudar e entender as bactérias, os vírus
e os fungos. No início do século XX, as mães começaram a usar água fervida para
lavar as fraldas.
Durante a Segunda Guerra Mundial, os países desenvolvidos requisitaram os
serviços das mulheres para auxiliar nos serviços de munições e artigos de guerra,
então, surgiu o serviço de “lavagem de fraldas”, assim as mães podiam receber suas
fraldas fresquinhas após um longo dia de trabalho fabricando aviões, tanques e
artigos de guerra.
HISTÓRIA DA FRALDA DESCARTÁVEL
Em meados dos anos 40, nos EUA, uma dona de casa de Westpot chamada
Marion Donovan inventou uma capa impermeável para proteger a fralda de pano da
saída de líquidos. Esta capa era feita dos restos de cortinas de banheiro e no seu
interior se colocava a fralda convencional de pano. Em 1947, George Schroder, foi
contratado pela empresa Cia Henry Frede & CO para criar a primeira fralda usando
telas não tecidas, porém nessa época era um artigo luxuoso e somente usada em
ocasiões especiais e por pessoas da alta sociedade (LAUTERBACH, 2008).
A primeira fralda industrializada foi fabricada usando-se um desenho
retangular e em seu núcleo eram colocadas várias camadas de papel tissue2 de 15 a
25 folhas e eram envolvidas por uma película plástica. No final da década de 50 foi
que Victor Mills – Engenheiro Químico, que trabalhava para a Procter & Gamble
2
Papel Tissue é usado na industrialização de papéis sanitários.
Pág. 082
(P&G)3, pensando no conforto de seu neto, reformulou o desenho e deu o nome de
“Pampers” que significa mimar, aconchegar.
Nos anos 60 o núcleo de papel tissue foi substituído por fibras de celulose e com
isso as fraldas apresentaram uma grande melhoria no desempenho, porém eram
grossas, pois tinham que evitar o vazamento (LAUTERBACH, 2008).
No Brasil, as primeiras fraldas descartáveis chegaram em 1975 pelas mãos
da Johnson & Johnson e com o passar do tempo e os avanços da tecnologia houvese a necessidade da modernização do produto como barreiras laterais que reduzia
vazamentos e pernas anatômicas com elásticos. Nos anos 90 apareceram novas
características agregando conforto como maciez e resistência com barreiras fecais;
fitas laterais com fechamento mecânico “velcro”; aromatizantes de aloe vera e
camomila; indicadores de umidade; protetores contra germes (LAUTERBACH,
2008).
A IDENTIFICAÇÃO DO PROBLEMA
A população mais carente da cidade de Indaiatuba, Estado de São Paulo tem
enfrentado diversas dificuldades no que se refere a insumo de necessidade básica
de saúde. Muitas pessoas não conhecem seus próprios direitos ou mesmo sabem a
disponibilidade que as entidades assistenciais do município têm para atendimento
dessas necessidades.
Atualmente a procura pelas fraldas descartáveis nas entidades assistenciais
no município de Indaiatuba vem crescendo. Isso se deve a necessidade da
população carente atendida por essas entidades e a baixa ajuda vinda de órgãos
governamentais que não tem em suas medidas de apoio o fornecimento desse tipo
de produto que em muitos casos são de extrema necessidade para condições de
saúde.
Em dados extraoficiais fornecidos pela Assistente Social Adelita Bastos de
Fraia da Federação das Entidades Assistenciais de Indaiatuba (FEAI) ̶ o município
hoje demanda de aproximadamente sessenta mil fraldas por mês entre infantil e
geriátrica para atender a população e essa demanda em parte já é assistenciada
pelas entidades do município, não sendo informado a possibilidade desse número
ainda ter aumento nos próximos anos.
3
P & G atual produtora das fraldas descartáveis Pampers e absorventes femininos Always.
Pág. 083
O Município de Indaiatuba atualmente possui cerca de vinte e três entidades
regulamentadas na FEAI e que recebem ajuda e doações para apoio a famílias
carentes, porém apenas onze são realmente dedicadas a crianças menores de dois
anos, idosos ou pessoas com deficiência ou doenças que necessitam desse tipo de
produto para sua higiene básica. Nessas entidades são realizados projetos sociais
muitas vezes com ajuda da população, arrecadação de doações e em alguns casos
tem ajuda de Secretarias Municipais e que através desses projetos gera-se recursos
para administrar as obras sociais.
Um trabalho atualmente realizado pelo Fundo Social de Solidariedade
(FUNSSOL) ̶ entidade que desempenha o papel de animador e articulador de
ações sociais que visa soluções de problemas coletivos com parceria da Prefeitura
Municipal de Indaiatuba, atua diretamente na necessidade de fraldas geriátricas no
município. De acordo com a assistente social da FUNSSOL Ana Beatriz V. de Lara
Campos, a entidade fornece aproximadamente 10.000 fraldas geriátricas por mês a
população necessitada da cidade, porém essa produção é realizada diretamente na
FUNSSOL com funcionários efetivos da prefeitura, mas que possuem idade
avançada para trabalhos constantes, então a produção não é diária e sim conforme
disponibilidade dos funcionários e também de material de insumo.
Recentemente foi criado um projeto na Faculdade Max Planck em parceria
com a FUNSSOL na implantação de uma pequena fábrica de fraldas geriátricas,
utilizando uma máquina manual e executando o mesmo processo produtivo hoje
usado na entidade. Essa iniciativa de parceria contribui para o aumento da produção
mensal de fraldas que a FUNSSOL doa a população, pois tem o apoio dos alunos e
colaboradores da Instituição de Ensino, uma vez que o material de fabricação vem
da entidade e a Instituição auxilia com a mão de obra e espaço físico na produção
das fraldas.
O PROCESSO ATUAL
No processo de fabricação de fralda geriátrica da máquina manual hoje
existente na FUNSSOL e na fábrica instalada nas dependências da Faculdade Max
Planck, utiliza as seguintes matérias primas:
· Manta de polietileno gofrado (polietileno de baixa densidade), disponibilizado
em rolos;
· Manta de polipropileno filtrante, disponibilizada em rolos;
Pág. 084
· Manta de polpa de celulose com gel absorvente;
· Adesivo Hot Melt (cola) de secagem ultrarrápida, adquirido em barras;
· Elástico 6 fios;
· Fita adesiva reposicionável.
Executando a fabricação nas seguintes etapas:
1º Etapa: Aquecimento do adesivo em 100°C, através de uma resistência ligada a
um termostato e alimentada pela rede elétrica.
2° Etapa: Colocação do elástico, dividindo no tensionador três fios para cada lado da
posição de absorvente;
3° Etapa: Sobre a manta plástica, essa é apoiada no suporte sob a máquina, e
passada através de cilindros com roletes que aplica a cola derretida na posição do
elástico fixando-os;
4º Etapa: É colocada a manta absorvente de celulose, manualmente sobre a manta
plástica já com a cola aplicada e os elásticos. Em seguida os cilindros de união do
material acionados por um motor 220 volts une as mantas de plástico e filtrante
envolvendo a manta absorvente de celulose;
5º Etapa: É feita a medição do tamanho da fralda que está sendo produzida (P, M,
G, EG), pelo tamanho da manta absorvente, sendo o espaçamento entre elas
aproximadamente de 10 a 12 cm;
6º Etapa: Cortam-se as medidas das pernas conforme o molde de acordo com
tamanho (processo manual);
7° Etapa: Cortam-se as fraldas, fazendo a separação individual (processo manual);
8º Etapa: Colocam-se as fitas adesivas reposicionáveis manualmente nas laterais
que irão ser ajustadas à cintura do usuário;
9º Etapa: Dobra e embala em pacotes de 10 unidades.
A produção de fraldas infantis se diferencia da geriátrica pelos tamanhos das
mantas (plástica, filtrante e absorvente), sendo a máquina possível de adaptar para
ambas, pois se modifica apenas a posição dos cilindros de saída e cilindro de
aplicação da cola.
Atualmente o processo fabril hoje existente na fábrica de fraldas da Faculdade
Max Planck utiliza de mão de obra voluntária dos alunos e colaboradores que
trabalham cerca de cinco horas semanais, gerando uma produção de 1000 fraldas
geriátrica por mês.
Pág. 085
O processo dispõe de muita mão de obra, pois a fabricação, o corte e a
embalagem do produto são realizadas manualmente, além de demandar longo
tempo para fabricação das fraldas, as mesmas ainda estão sujeitas a agentes
contaminantes, devido seu manuseio.
FLUXOGRAMA DO PROCESSO ATUAL
Figura 1 - Desenho da máquina manual desenvolvido em software.
Fonte: Modelagem atual da máquina de fraldas.
Figura 2 - Desenho da Máquina atual em 3D.
Fonte: Desenho em 3D no Solidworks.
Pág. 086
Fonte: Fluxograma do processo produtivo da máquina manual.
AUTOMAÇÃO DO PROCESSO
A partir de componentes e materiais existentes no mercado foi possível
estudar técnicas e processos que favoreceram a escolha da metodologia desse
projeto, sendo simulado no Fluidsim Pneumática da Festo4 utilizando atuadores
pneumáticos,
temporizadores
e
válvulas
solenoides
para
demonstrar
o
funcionamento do sistema.
O projeto proposto é um complemento da máquina de fralda já existente na
faculdade, sendo disposto em mesa auxiliar de metal para adaptação na mesa da
máquina manual.
O acionamento do sistema é realizado por um motor AC de 220 volts, sendo
montado em série, alimentado pela rede elétrica e ligado no mesmo pedal de
acionamento da máquina. Para o deslizamento das mantas (plástica e filtrante), o
motor AC tem auxílio de roletes de nylon com função de tencionar as mantas,
mantendo o material esticado para execução do corte.
Na etapa de corte são utilizados atuadores pneumáticos, linear e rotativo
alimentado por ar comprimido através de mangueiras e um compressor com filtro de
ar. Esses atuadores, são montados em hastes com lâminas cortantes em sua
extremidade que desenvolverá o trabalho de corte na fralda, tanto a parte de encaixe
4
Fluidsim Pneumática é uma ferramenta didática de simulação pneumática, desenvolvido pela multinacional
alemã Festo Didactic GmbH & Co. KG e Art Systems Software GmbH em Paderborn, Alemanha.
Pág. 087
das pernas do usuário (atuador rotativo), quanto a separação individual do produto
(atuador linear).
Fonte: Fluxograma do processo com etapas automatizadas.
PNEUMÁTICA - VANTAGENS E DESVANTAGENS DO SISTEMA
A Pneumática se caracteriza pelo estudo do comportamento dos gases e seu
emprego para a transmissão de energia. Sua utilização na automação industrial
atualmente é muito importante, pois tornou um meio barato e simples de trabalho
com eficiência de resultados, velocidade de trabalho, segurança e de fácil
manutenção.
O sistema pneumático atualmente é constantemente utilizado nos meios de
produção para realização de movimentos repetitivos e sua principal característica é
a expulsão do ar durante o uso, não sendo reutilizado novamente como no caso do
fluído em sistemas hidráulicos, ou seja, para que ele realize mais trabalho, é preciso
injetar mais ar.
Em comparação a outros sistemas atualmente utilizados no meio industrial,
como a mecânica ou hidráulica, a pneumática se mostra com vantagens e
desvantagens em alguns aspectos, conforme mostra o quadro 1 e 2.
Pág. 088
Quadro 1: Comparativo dos vários sistemas de automação.
Critérios
Meio de
transmissão de
energia
Pneumática
Hidráulica
Elétrica
Mecânico
Bielas,
engrenagens,
etc.
Bielas,
engrenagens,
etc.
Ar
Óleo
Elétrons
Condução de
energia
Tubos,
mangueiras,
orifícios
Tubos,
mangueiras,
orifícios
Conversão de
energia mecânica
e vice-versa
Compressores,
cilindros,
motores
pneumáticos
Bombas,
cilindros,
motores
hidráulicos
Pressão p
Caudal Q
Pressão p
Caudal Q
Condutores
elétricos
(Cabos, etc.)
Geradores,
baterias,
motores,
eletroímã,
motores
lineares
Tensão V
Corrente I
Boa
Muito boa
Pobre
Menos boa
Muito boa
Muito variável Muito Boa
Menos bom
Menos bom
Bom
Bom
Muito boa
Muito boa
Muito boa
Menos boa
Muito fácil
Muito fácil
Menos fácil
Fácil
Eficiente
Menos
eficiênte
-
Regular
Baixa
Regular
-
Baixa
Grandezas
Características
Potência
específica
Precisão dos
movimentos
Rendimento
Aptidão ao
comando, controle
e processamento
de sinal
Realização de
movimentos
lineares
Tempo de
fabricação de
fraldas
Complexibilidade
de montagem
-
Força, binário
Velocidade
Boa
Fonte: Adaptado de Luis Filipe Baptista – Escola Superior Náutica Infante D. Henrique.
Quadro 2: Características dos sistemas de automação.
Energia
Transmissão
Velocidade de
transmissão
Rotações
Força
Proteção contra sobre
carga
Pneumática
Limitada e
lenta
Hidráulica
Limitada e muito
cara
Elétrica
Rápida e longa
distância
Aprox. 2 m/s
Aprox. 50 mm/s
Aprox. 300.000 km/s
Limitado
Boas
Bem alto
Alto
Excelente
Não tão boa
Até 500.000
rpm
Baixo
Excelente
Fonte: Luis Filipe Baptista – Escola Superior Náutica Infante D. Henrique.
Pág. 089
Dentre as principais vantagens de trabalhar com sistema pneumático
podemos destacar um investimento relativamente baixo se comparado a outros
métodos de produção. De fácil manutenção e implantação, o sistema pneumático
possibilita a redução dos custos operacionais, pois atua com velocidade nos
movimentos repetitivos aumentando assim o ritmo de trabalho, aumento de
produtividade e redução de acidentes, por reduzir a fadiga do operador. Além de boa
margem de segurança, porque o sistema envolve pressão moderada e é um sistema
que se projetado adequadamente terá grande resistência à oscilação de
temperatura, umidade e poeira, além de insensibilidade a vibrações e golpes,
permitindo que as ações do sistema sejam acompanhadas pelo operador no
decorrer do processo.
Em contra partida o sistema também possui algumas desvantagens que vale
a pena destacar. Podemos expor que o ar comprimido necessita de certa
preparação para realização do trabalho, como remoção de impureza, umidade para
evitar a corrosão e desgaste de equipamentos. Além disso, o ar é um fluído
altamente compressível impossibilitando paradas intermediárias no processo de sua
expulsão. Destacamos também sua poluição sonora, pois no processo de exaustão
do ar para atmosfera ocorrem ruídos.
Diante do projeto desse artigo que utilizará a pneumática para o processo de
trabalho e montagem do sistema, pois parte do pressuposto como um sistema ideal
por ter no processo os atuadores rotativos que funcionam do início ao fim do curso,
sendo de 0 a 180°, ideal para desenvolvimento do movimento do corte para as
pernas laterais e o atuador linear que trabalha no alcance de curso de até 500 mm,
também propício para corte de separação da peça.
DEFINIÇÃO DAS FORÇAS DO SISTEMA
Sabe-se cientificamente que o ar tem existência real e concreta e que ocupa
lugar no espaço, sendo um gás altamente compressível, sendo possível o
aprisionamento em recipiente, ocupando todo o espaço, possui elasticidade, onde
pode voltar a sua força original, difusibilidade, que é a forma de misturar-se
homogeneamente com qualquer meio gasoso que não esteja saturado e
expansibilidade – propriedade que lhe possibilita ocupar totalmente o volume de
qualquer recipiente, adquirindo o seu formato. Sabe-se também que o ar possui
peso, sendo que um litro de ar, a temperatura de 0°C e no nível do mar, o ar pesa
Pág. 090
1,293 x 10-3 Kgf, significando que em maiores altitudes esse peso pode ser diferente.
Portanto esse ar que circunda a terra e tem peso, exerce uma pressão sobre a
superfície terrestre e é chamada pressão atmosférica (PARKER, 2007).
Força é toda causa capaz de modificar o estado de movimento ou causar
deformações. É uma grandeza vetorial, e para ser caracterizada devemos conhecer
sua intensidade, sentido e direção. Encontramos através da multiplicação da massa
do corpo pela aceleração (DORNELES e MUGGE, 2008).
Pressão é quando o ar ocupa um recipiente e exerce sobre suas paredes
uma força igual em todos os sentidos e direções. Ao se chocarem as moléculas
produzem um tipo de bombardeio sobre essas paredes, gerando assim uma
pressão. Por fim vazão é quantidade de fluido que passa através de uma tubulação
durante um determinado intervalo de tempo representado na fórmula a seguir
(DORNELES e MUGGE, 2008).
A pressão é definida como força por unidade de área e representado por Pa
(Pascal), conforme a fórmula abaixo, sendo conhecida por 1 atm que equivale a 101
325 Pa ou 1,01325 bar e de acordo com Torricelli, inventor do barômetro5 a
atmosfera suporta uma coluna de mercúrio de 760 mm de altura a nível do mar.
Para cálculo da pressão segue-se a fórmula
abaixo, onde é representada pela
letra grega (rho), sendo F a força aplicada ao sistema e A a área (PARKER, 2007).
Para sistemas pneumáticos o trabalho é fator importante e de acordo com
Harry Stewart, define-se trabalho como o produto de força vezes o deslocamento,
com a força em direção ao deslocamento, ou seja, quando um corpo é deslocado de
uma posição para outra utiliza-se uma força que multiplicado ao percurso deslocado
significa o trabalho exercido para que o deslocamento ocorra. É medido em J
(Joule), onde 1 J = 1 N.m (Newton x metro) e apresenta na fórmula a seguir, onde a
letra grega
(tau) representa o trabalho, F a força e
é a variação do
deslocamento (STEWART, 2013).
5
Barômetro - é um instrumento científico utilizado em meteorologia para medir a pressão atmosférica e foi
inventado por Evangelista Torricelli em 1643, sendo composto por um tubo de vidro com uma das
extremidades fechadas, uma base e mercúrio.
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Na pneumática o cálculo da potência que será necessária para motores e
acionadores, bem como o alimentador do sistema por ar comprimido é também fator
importante para execução adequada do sistema. De acordo com o sistema
internacional (SI) é apresentado em watts, é calculado através da fórmula P = V x I,
onde V representa a tensão e I a corrente elétrica conduzida nos motores.
MODELAGEM E SIMULAÇÃO DO SISTEMA
Aplicando os conceitos pesquisados no Fluidsim foi possível analisar o
comportamento do sistema e medir as constâncias de forças a partir da simulação
da atuação de dois motores elétricos e três atuadores pneumáticos, representando o
sistema, conforme mostra a figura 3.
Figura 3 - Esquema elétrico do sistema.
Fonte: Print screen da simulação do sistema no Fluisim.
Pressionando o pedal de acionamento S1 energiza a bobina do temporizador
K1 e os dois motores, representados pelo símbolo
. O temporizador irá contar 9.4
que é o tempo que a fralda leva para percorrer a mesa até sua posição de corte e
energizará o contato K1 na linha 6 fechando seu contato, e energizando a bobina do
temporizador K2, a bobina do relé K3 e a bobina da válvula solenoide K4.
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A bobina K3 irá abrir o contato K3 da linha 3, fazendo com que desligue a
bobina K1 e desligue os dois motores. A bobina K3 também irá fechar o contato K3
da linha 7, mantendo as bobinas K2, K3 e K4 energizadas. O contato K1 na linha 6
volta para a posição inicial. A bobina K4 irá acionar os três cilindros pneumáticos. A
bobina do temporizador K2, após 6 segundos irá abrir o contato K2 na linha 8,
fazendo com que as bobinas K2, K3 e K4 sejam desligadas.
Os cilindros
pneumáticos voltam à posição inicial e todos os contatos das bobinas K2 e K3
voltam ao seu estado inicial. A bobina do temporizador K1 e os motores são
energizadas novamente.
O ciclo se repete até que o pedal de comando S1 não seja mais pressionado.
O botão de comando S0 é um botão de emergência, que se acionado mesmo com o
pedal de comando S1 pressionado, o circuito continuará desligado.
RESULTADOS APURADOS
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Figura 4 - Desenho do sistema proposto para automatização da máquina manual.
Fonte: Desenho em software Solidworks.
Figura 5 - Desenho em 3D da máquina de fraldas final.
Fonte: Desenho em software Solidworks.
O processo atualmente manual na fábrica de fraldas da Faculdade Max
Planck demanda de aproximadamente 57,4 segundos/fralda para uma produção de
1000 fraldas mensais, e um período de trabalho de 4 horas semanais, sendo
somadas nesse tempo as etapas de corte, dobragem e embalagem do produto.
Além disso, utilizam-se três pessoas para execução do processo de produção
mensal.
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A partir da implantação da parte automatizada de corte e dobragem o sistema
executará o processo de fabricação, corte e pré-dobragem em 15,4 segundos.
Considerando o tempo de 10 segundos para aplicação do adesivo reposicionável e a
embalagem final do produto em porções de 10 unidades por pacote, a produção
mensal passaria ser de aproximadamente 2300 fraldas mensais, sendo calculado no
mesmo tempo de trabalho atualmente executado de 4 horas semanais.
Considerando uma jornada de trabalho de cinco dias por semana e oito horas
diárias, teremos 576.000 segundos trabalhados, sendo utilizado no processo de
fabricação de fraldas 15,4 segundos para produção e mais o processo de aplicação
do adesivo e embalagem completa, dentro de um mês teremos a produção de
aproximadamente 22.000 fraldas.
Vale ressaltar que para as medições dos tempos de aplicação do adesivo
reposicionável e embalagem final não foi possível a medição individual das etapas,
pois os voluntários que trabalham no processo não o executam as etapas
sequencialmente durante a produção.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O sistema proposto resulta em otimização de tempo de produção, bem como
redução de mão de obra de um operador, pois a máquina atuará com dois
operadores apenas, um no abastecimento de manta absorvente e acionamento do
sistema pelo pedal e o outro na retirada do produto já cortado e pré-dobrado,
faltando apenas a colocação da fita adesiva reposicionável, dobragem final e
embalagem do produto.
Tabela 1 - Produção de fraldas por mês com 4 horas de trabalho/semana.
Manual
Automatizado
4 horas semanais
4 horas semanais
3
2
Variável
Padronizado
Segurança
contato direto com a lâmina
sem contato
Sistema de
Controle
Não aplicável
Possibilita expansão de controle
Critérios
Horas de trabalho
Quantidade de
operadores
Qualidade
1000
TOTAL
Fonte: Análise produtiva do processo.
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2 300
Figura 6 - Gráfico comparativo de sistemas de produção de fraldas.
Fonte: Análise de Produção de fraldas.
Além disso, observamos que com o mesmo tempo de trabalho atualmente
executado de quatro horas semanais é possível um aumento de 130% na produção
mensal de fraldas na fábrica de fraldas da Faculdade Max Planck, levando em
consideração apenas dois operadores no processo.
Considerando o consumo diário de 4 fraldas descartáveis por pessoa, dentro
de um ano com o projeto proposto na fábrica de fraldas descartáveis da Faculdade
Max Planck, aumentaremos em 130% o número de pessoas beneficiadas, ou seja,
de 100 pessoas/ano, passa a ser 230 pessoas/ano.
Análises criteriosas demonstram ainda que o sistema tem a possibilidade de
adaptações e melhorias, pois abre margem para modificações de controle.
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