Análise do Desempenho Económico e Ambiental de

Alternativas de Fabrico de Microinsertos

Desenvolvimento de um Modelo Integrado numa Perspetiva de Ciclo de

Vida

Gonçalo Andrade Nogueira Alves

Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

Júri

Presidente: Professor Mário Manuel Gonçalves da Costa

Orientador: Professor Paulo Miguel Nogueira Peças

Coorientador: Professor Paulo Manuel Cadete Ferrão

Vogal: Professora Elsa Maria Pires Henriques

Outubro de 2012

I

Agradecimentos

Em primeiro lugar quero agradecer ao Professor Paulo Peças pelo acompanhamento,

disponibilidade e dedicação que sempre mostrou ao longo do desenvolvimento deste trabalho.

Em segundo lugar, ao Engº Filipe Narciso, ao Engº Luís Marrazes e a todos os

trabalhadores da Tecnimoplás por todo o tempo disponibilizado e fornecimento de dados que

tornaram possível o desenvolvimento deste estudo.

Ao Engº Pedro Oliveira da Famolde, pelos esclarecimentos acerca dos processos

produtivos envolvidos no fabrico de um molde.

Agradeço agora ao IPN, nomeadamente à Dra. Teresa Vieira e à Engª Vanessa Neto por

todas as explicações e dados fornecidos para o desenvolvimento do Caso de Estudo .

Aos meus Amigos que me acompanharam ao longo de toda a vida, por todas as saídas e

bons momentos que passamos juntos.

Por último e mais importante, um agradecimento muito sincero aos meus Pais, Irmã,

Namorada e restante Família por me proporcionarem a vida que tenho e por todo o apoio que

me têm dado desde sempre.

II

Resumo

Com o aumento do desenvolvimento de Microtecnologias e aparecimento de diversas

alternativas de produção de Microcomponentes, surge a necessidade de se desenvolver uma

ferramenta que permita a análise de diferentes cenários produtivos bem como a influência da

variação de diversos parâmetros num ambiente industrial.

Neste trabalho desenvolveu-se um Modelo Integrado de Apoio à Decisão com o intuito

de se realizarem diversas análises às alternativas de fabrico de Microinsertos. Este Modelo

incorpora três metodologias para a análise de custos e impactos ambientais numa perspetiva de

Ciclo de Vida: Life Cycle Cost (LCC), Life Cycle Assessment (LCA) e Modelo de Desempenho

Tecnológico baseado nos Processos (MTP).

No presente estudo foram analisadas duas alternativas de fabrico de Microinsertos:

maquinagem direta num bloco de aço e fabrico de Micromolde para consequente operação PIM.

Dentro destas alternativas estudaram-se também três tecnologias recentes de maquinagem –

MicroFresagem, MicroEDM e Laser Milling.

A aplicação do Modelo Integrado ao presente Caso de Estudo permitiu estimar os

custos/impactos ambientais envolvidos por fase e por etapa de fabrico de Microinsertos, sendo

contabilizado o Ciclo de Vida do produto e não apenas custos e impactos ambientais diretos de

produção. O Modelo Integrado permitiu também analisar a influência no desempenho económico

dos tempos de vida de ferramentas e elétrodos, uptimes e taxas de remoção de material de

equipamentos, e ainda da durabilidade do Micromolde no custo final. Estas análises de

sensibilidade possibilitam um aumento do conhecimento do efeito de diversos fatores num

sistema produtivo, de modo a facilitar-se a transição para o universo industrial.

Palavras-Chave: Microinsertos, Modelo Integrado de Apoio à Decisão, Life Cycle Cost, Life Cycle

Assessment, Modelo de Desempenho Tecnológico baseado nos Processos.

III

Abstract

With the growth of developing of micro-technologies and appearance of several

alternative production of micro-components, it is needed to develop a tool that allows the

analysis of different production scenarios as well as the influence of changes in various

parameters in an industrial environment.

An Integrated Model for Decision Support, in order to carry out various analyses of micro-

inserts manufacturing alternatives, was developed in this work. This Model incorporates three

methodologies for the analysis of economic and environmental impacts on a Life Cycle

perspective: Life Cycle Cost (LCC), Life Cycle Assessment (LCA) and Technological

Performance Model based on the Processes (TPM).

In this study were analyzed two alternatives for the manufacture of micro-inserts: direct

machining of a block of steel and manufacture of micro-mold for consequent PIM operation.

Within these alternatives, three recent machining technologies – micro-milling, micro-EDM and

Laser Milling were also studied.

The application of the Model to the present case study allowed the estimation of the

environmental impacts/costs by phase and by stage of manufacture of micro-inserts, being

accounted the Life Cycle performance of the product and not just production cost and

environmental impacts. The Integrated Model also allowed the analysis of the influence of tools

and electrodes lifetimes, equipments uptimes and material removal rates as well as the influence

of the micro-mold durability in total cost. These analyses provided an improved understanding of

the effect of various factors on a production system, in order to ease the transition to its

industrial implantation.

Keywords: micro-inserts, Integrated Model for Decision Support, Life Cycle Cost, Life Cycle

Assessment, Technological Performance Model based on the Processes.

IV

Índice

Agradecimentos ..................................................................................................................................... I

Resumo................................................................................................................................................... II

Abstract ................................................................................................................................................. III

Índice ..................................................................................................................................................... IV

Lista de Tabelas .................................................................................................................................... VI

Lista de Figuras .................................................................................................................................. VIII

Glossário ................................................................................................................................................ X

1. Introdução ....................................................................................................................................... 1

2. Estado de Arte da abordagem “Life Cycle Engineering” .......................................................... 3

“Life Cycle Engineering” .......................................................................................................... 3 2.1.

“Life Cycle Cost” ...................................................................................................................... 5 2.2.

“Life Cycle Assessment” .......................................................................................................... 6 2.3.

Eco indicadores ....................................................................................................................... 8 2.4.

Eco indicador 95 .................................................................................................................. 8 2.4.1

Eco–indicador 99 ................................................................................................................. 9 2.4.2

“Process-based Cost Modeling” ............................................................................................ 11 2.5.

Referências............................................................................................................................ 13 2.6.

3. Estado de Arte de Microfabricação ............................................................................................ 15

Fabrico de Moldes ................................................................................................................. 16 3.1.

Componentes do Molde .................................................................................................... 16 3.1.1

Insertos no Molde .............................................................................................................. 18 3.1.2

Processos de Fabrico de Moldes ...................................................................................... 19 3.1.3

Processos de Obtenção de Microcomponentes .................................................................... 25 3.2.

Referências............................................................................................................................ 27 3.3.

4. Modelo Integrado de Apoio à Decisão ....................................................................................... 29

Modelo de Desempenho Económico – LCC ......................................................................... 29 4.1.

Modelo de Desempenho Ambiental – LCA ........................................................................... 31 4.2.

Modelo de Desempenho Tecnológico baseado nos Processos – MTP................................ 33 4.3.

V

5. Descrição do Caso de Estudo e Modelo Desenvolvido ........................................................... 35

Alternativa 1 ........................................................................................................................... 37 5.1.

Alternativa 2 ........................................................................................................................... 38 5.2.

Variáveis de Entrada, Saída e de Controlo ........................................................................... 40 5.3.

Modelo de Desempenho Tecnológico baseado nos Processos ........................................... 44 5.4.

6. Aplicação do Modelo Integrado de Apoio à Decisão ............................................................... 50

Análise da Dimensão Económica .......................................................................................... 50 6.1.

Alternativa 1 ....................................................................................................................... 51 6.1.1

Alternativa 2 ....................................................................................................................... 60 6.1.2

Análise da Dimensão Ambiental ........................................................................................... 70 6.2.

Alternativa 1 ....................................................................................................................... 70 6.2.1

Alternativa 2 ....................................................................................................................... 73 6.2.2

Análise Comparativa das Alternativas em termos das Dimensões Abordadas .................... 76 6.3.

7. Conclusões ................................................................................................................................... 79

Anexo I ......................................................................................................................................................i

Anexo II ................................................................................................................................................... iii

Anexo III .................................................................................................................................................. iv

Anexo IV ................................................................................................................................................. vi

Anexo V ................................................................................................................................................. vii

VI

Lista de Tabelas

Tabela 2-1 – Pesos de cada categoria consoante a perspetiva ........................................................... 10

Tabela 4-1 – Tipologias de Custos Totais. ........................................................................................... 30

Tabela 4-2 – Descrição dos inputs do Modelo LCC. ............................................................................ 31

Tabela 5-1 – Dados referentes a Material, Produção, Uso e Fim de Vida da Alternativa 1. ................ 47

Tabela 5-2 – Dados referentes a Material, Produção, Uso e Fim de Vida da Alternativa 2. ................ 48

Tabela 6-1 – Variáveis Exógenas consideradas no Modelo LCC. ....................................................... 50

Tabela 6-2 – Inputs introduzidos para cada tecnologia. ....................................................................... 51

Tabela 6-3 – Rácios de custo para as três tecnologias em estudo. ..................................................... 52

Tabela 6-4 – Valores relativos a consumos de energia, fluidos, gás, ferramentas, elétrodos e

materiais para a Alternativa 1. ............................................................................................................... 52

Tabela 6-5 – Distribuição de custos finais e tempo total consoante as tecnologias em estudo, da

Alternativa 1, para o fabrico de 1000 Microinsertos. ............................................................................. 53

Tabela 6-6 – Valores do custo unitário dos Microinsertos consoante os Tempos Médios de Vida das

fresas e dos elétrodos. .......................................................................................................................... 56

Tabela 6-7 – Distribuição de custos finais para o Laser, admitindo uma taxa de remoção de material

de 0,035 mm3/min e uptime de 25%. .................................................................................................... 60

Tabela 6-8 – Inputs das operações de Maquinagem até à fase de Acabamento. ............................... 61

Tabela 6-9 – Inputs das operações de Montagem e Acabamento Superficial. .................................... 61

Tabela 6-10 – Inputs da operação PIM ................................................................................................. 62

Tabela 6-11 – Rácios de custo para a todas as etapas da Alternativa 2 exceto o Acabamento do

Micromolde ............................................................................................................................................ 63

Tabela 6-12 – Valores relativos a consumos de energia, fluido, gás, ferramentas e materiais para a

Alternativa 2, excetuando a fase de Acabamento do Micromolde. ....................................................... 63

Tabela 6-13 – Valores relativos a consumos de energia, fluidos, gás, ferramentas, elétrodos e

materiais para as diferentes tecnologias de acabamento do Micromolde da Alternativa 2. ................. 64

Tabela 6-14 – Distribuição dos custos de Fabrico do Micromolde, exceto acabamento e acabamento

superficial, e PIM, consoante as etapas de cada operação .................................................................. 65

Tabela 6-15 – Distribuição de custos consoante o tipo de maquinagem, de dois elementos, da

Alternativa 2. .......................................................................................................................................... 66

Tabela 6-16 – Distribuição de custos finais consoante o tipo de Acabamento Superficial da Alternativa

2. ............................................................................................................................................................ 67

Tabela 6-17 – Custos totais na produção de 1000 Microinsertos consoante a tecnologia de

Acabamento e utilizando EBM como Acabamento Superficial. ............................................................ 67

Tabela 6-18 – Agregação da Energia e Recursos Consumidos no EI’99 para o fabrico de 1000

Microinsertos utilizando MicroFresagem da Alternativa 1. .................................................................... 71

Tabela 6-19 – Agregação da Energia e Recursos Consumidos no EI’99 para a MicroEDM. .............. 72

Tabela 6-20 – Agregação da Energia e Recursos Consumidos no EI’99 para o Laser Milling. ........... 72

VII

Tabela 6-21 – Agregação da Energia e Recursos Consumidos no EI’99 para o Fabrico do

Micromolde. ........................................................................................................................................... 73

Tabela 6-22 – Agregação da Energia e Recursos Consumidos no EI’99 para as três tecnologias

alternativas no Acabamento do Micromolde. ........................................................................................ 74

Tabela 6-23 – Agregação da Energia e Recursos Consumidos no EI’99 para a operação PIM. ........ 74

Tabela 6-24 – Custos por Microinserto consoante a Alternativa/Tecnologia utilizada, para o fabrico de

1000 Microinsertos, referentes aos cenários atuais das empresas. ..................................................... 76

VIII

Lista de Figuras

Figura 2-1 – Metodologia de aplicação da abordagem LCE. ................................................................. 4

Figura 2-2 – Principais etapas do LCA. .................................................................................................. 6

Figura 2-3 – Método do Eco indicador 95. ............................................................................................. 9

Figura 2-4 – Método do Eco indicador 99. ........................................................................................... 10

Figura 2-5 – Etapas correspondentes à lógica de funcionamento do PBCM ...................................... 11

Figura 3-1 – Estrutura de um Molde. .................................................................................................... 17

Figura 3-2 – Fases do processo produtivo de um molde ..................................................................... 20

Figura 3-3 – Ilustração esquemática de corte por arranque de apara (Fresagem) ............................. 22

Figura 3-4 – Ilustração esquemática da tecnologia EDM .................................................................... 22

Figura 3-5 – Ilustração esquemática da tecnologia Laser ................................................................... 23

Figura 3-6 – Ilustração esquemática do processo EBM. ...................................................................... 24

Figura 3-7 – Processo PIM ................................................................................................................... 26

Figura 4-1 – Modelo global LCC. .......................................................................................................... 30

Figura 4-2 – Modelo LCC de cada etapa do processo produtivo. ........................................................ 31

Figura 4-3 – Abordagem do Modelo LCA para o cálculo do Impacto Ambiental. ................................ 32

Figura 4-4 – Principais etapas de cálculo do Modelo Tecnológico baseado nos Processos. ............. 33

Figura 5-1 – Alternativas de fabrico de Microinsertos. ......................................................................... 36

Figura 5-2 – Vista frontal dos Microinsertos. ........................................................................................ 36

Figura 5-3 – Vista de topo dos Microinsertos. ...................................................................................... 37

Figura 5-4 – Tecnologias utilizadas na Alternativa 1. ........................................................................... 38

Figura 5-5 – Fases do Processo de Fabrico do Micromolde: Alternativa 2. ........................................ 39

Figura 5-6 – Fases da operação PIM: Alternativa 2 ............................................................................. 40

Figura 5-7 – Fluxos e inputs dos Processos de Maquinagem: Alternativa 1 e 2. ................................ 41

Figura 5-8 – Fluxos e inputs de a) MicroEDM b) Laser Milling: Alternativa 1 e 2 ................................ 42

Figura 5-9 – Fluxos e inputs de EBM: Alternativa 2. ............................................................................ 42

Figura 5-10 – Fluxos e inputs do Processo de Montagem: Alternativa 2. ............................................ 43

Figura 5-11 – Fluxos e inputs do Processo PIM: Alternativa 2. ........................................................... 44

Figura 5-12 – Fluxograma do Modelo de Desempenho Tecnológico baseado nos Processos. .......... 45

Figura 5-13 – Esquema da organização final dos resultados fornecidos pelo Modelo. ....................... 49

Figura 6-1 – Distribuição das tipologias de custo, em percentagem, por tecnologia de maquinagem 54

Figura 6-2 – Gráfico da variação do Custo por Microinserto consoante os tempos médios de vida das

fresas e dos elétrodos. .......................................................................................................................... 55

Figura 6-3 – Gráfico da variação do Custo por Microinserto consoante o Tempo Médio de Vida da

Fresa. ..................................................................................................................................................... 56

IX

Figura 6-4 – Ilustração da evolução do Custo Hora-Máquina consoante o uptime do Equipamento

para as três tecnologias em estudo; a) Cenário atual – custos hora-máquina referentes aos uptimes

utilizados pela empresa; b) Cenário intermédio – ponto ilustrativo do uptime imposto para que as

tecnologias apresentem o mesmo custo hora-máquina; c) Cenário limite – custo hora-máquina da

tecnologia Laser para um uptime de 100% ........................................................................................... 58

Figura 6-5 – Evolução da Taxa de Remoção de Material do Laser em função da Profundidade de

Passagem .............................................................................................................................................. 59

Figura 6-6 – Gráfico que ilustra a Influência da tecnologia utilizada no Custo Total da Alternativa 2. 68

Figura 6-7 – Gráfico da variação do Custo por Microinserto consoante o volume de produção para

uma durabilidade do Micromolde de 1000 Microinsertos (curva verde) e 5000 Microinsertos (curva

azul), da Alternativa 2. ........................................................................................................................... 69

Figura 6-8 – Gráfico ilustrativo da influência do Acabamento do Micromolde no Impacto Ambiental; a

secção azul representa os impactos ambientais causados por todas as etapas do Fabrico do

Micromolde excepto o Acabamento; a secção encarnada representa os impactos ambientais

causados por todas as etapas da operação PIM; a secção verde representa os impactos ambientais

causados pelo Acabamento do Micromolde. ........................................................................................ 75

Figura 6-9 – Gráfico com a variação do custo por Microinserto consoante o volume de produção para

cada uma das alternativas em estudo, utilizando como tecnologia a MicroFresagem para tempo de

vida do Micromolde de 1000 Microinsertos. .......................................................................................... 77

Figura 6-10 – Valores do EI’99 consoante a Alternativa para o fabrico de 1000 Microinsertos. ......... 78

X

Glossário

CAD Computer-Aided Design

CAM Computer-Aided Manufacturing

CNC Computer Numerical Control

DALY Disability Adjusted Life Years

DDP Diferença de Potencial

EBM Electron Beam Machining

EDM Electrical Discharge Machining

EI’ 95 Eco indicador 95

EI’ 99 Eco indicador 99

EUA Estados Unidos da América

GWP Global Warming Potential

IA Impacto Ambiental

IPN Instituto Pedro Nunes

LCA Life Cycle Assessment

LCC Life Cycle Cost

LCE Life Cycle Engineering

LCI Life Cycle Inventory

LCIA Life Cycle Impact Assessment

LIGA Lithographie Galvanoformung Abformung

ODP Ozone Depletion Potencial

PAF Potentially Affected Fraction

PBCM Process-based Cost Model

PDF Potentially Disappeared Fraction

PIM Powder Injection Moulding

PME Pequenas e Médias Empresas

MTP Modelo Tecnológico baseado nos Processos

PIM Powder Injection Moulding

1

1. Introdução

O desenvolvimento de Microtecnologias tem suscitado bastante interesse na

comunidade industrial e científica. Devido ao aumento do número de campos de aplicação dos

Microcomponentes, a necessidade de um baixo custo, a simplicidade e a flexibilidade dos

Microelementos tem vindo a aumentar. Durante a última década, países das regiões da Europa

e América do Norte têm vindo a apostar, fortemente, na pesquisa e no desenvolvimento de

Microsistemas, pois acredita-se firmemente que estes são a base para a nova geração de

produtos e oportunidades de mercado. O valor acrescentado deste tipo de componentes é

amplamente reconhecido mas ainda existem diversas barreiras que têm de ser ultrapassadas

para que estes se encontrem institucionalizados no mercado presente.

O objetivo principal deste estudo consiste no desenvolvimento e aplicação de um Modelo

Integrado de Apoio à Decisão, que permita a comparação do desempenho de alternativas

tecnológicas, em fase de desenvolvimento, numa perspetiva de Ciclo de Vida. Este Modelo

integra três tipos de Modelos para a análise de diferentes dimensões, que se enquadram com a

abordagem Life Cycle Engineering: Modelo Life Cycle Cost (dimensão económica), Modelo Life

Cycle Assessment (dimensão ambiental) e Modelo de Desempenho Tecnológico baseado nos

Processos (MTP).

O presente trabalho enquadrou-se no Projeto ToolingEDGE, que além de outras

entidades, conta com a colaboração das empresas Tecnimoplás e Famolde e do Instituto Pedro

Nunes, diretamente envolvidas no estudo comparativo de alternativas de produção de

Microinsertos.

Para o atual estudo, existem duas alternativas de fabrico de Microinsertos: Alternativa 1

e Alternativa 2. Na Alternativa 1 os Microinsertos podem ser maquinados, di retamente num

bloco de aço, utilizando três tecnologias distintas – MicroFresagem, MicroEDM e Laser Milling. A

Alternativa 2 compreende o fabrico de um Micromolde, sendo que o Acabamento deste pode ser

efetuado utilizando uma das três tecnologias referidas anteriormente, e posteriormente uma

operação PIM para a obtenção dos Microinsertos.

De modo a validar e ilustrar a aplicabilidade do Modelo ao presente Caso de Estudo, foi

recolhida diversa informação com o intuito de se obterem resultados que permitam aumentar o

conhecimento numa área avançada do ponto de vista tecnológico, analisando diferentes

cenários produtivos dentro das diversas alternativas. Quando se analisam novas alternativas

tecnológicas, que envolvem novas cadeias de produção, há que ter em conta, não são os custos

finais, mas também os custos por etapa, com o propósito de se averiguar quais as fases criticas

no cenário produtivo em causa. Para se efetuar uma análise completa, a um produto, numa

perspetiva de Ciclo de Vida é imprescindível uma análise ambiental com o objetivo de se obter

uma perceção dos impactos ambientais associados ao fabrico de um determinado produto.

2

No desenvolvimento deste trabalho foram obtidos resultados para um cenário produtivo

preliminar com dados fornecidos pelos parceiros do projeto. Como se está perante novas

tecnologias de fabrico de componentes é importante perceber em que situações é que cada

alternativa/tecnologia deve ser empregue. Posto isto, estão reunidas as condições típicas da

empregabilidade do Modelo Integrado de Apoio à Decisão que torna bastante simples a

realização de análises de sensibilidade, testando diversos cenários produtivos, bem como

diferentes condições de fabrico. A aplicação do Modelo ao presente Caso de Estudo permitiu a

avaliação das duas Alternativas de fabrico em causa, bem como o desenvolvimento de análises

a parâmetros tais como, tempos médios de vida de ferramentas e elétrodos, uptime e taxa de

remoção de material de equipamentos e durabilidade do Micromolde. Estas análises contribuem

para um aumento do conhecimento em áreas em fase embrionária, sendo bastante úteis para a

ajuda na decisão, quando implementadas a uma escala industrial.

Esta Tese inicia-se com a apresentação do Estado de Arte da abordagem Life Cycle

Engineering (Capitulo 2) e com o Estado de Arte de Microfabricação (Capitulo 3), sendo que

estas duas partes constituem a pesquisa bibliográfica. No Capitulo 4 descrevem -se os Modelos

desenvolvidos, seguindo-se a caraterização do Caso de Estudo, no Capitulo 5. No Capítulo 6

encontram-se os resultados da aplicação do Modelo Integrado de Apoio à Decisão e as

diferentes análises de sensibilidade desenvolvidas neste estudo. Finalmente, as conclusões e

propostas para desenvolvimentos futuros são apresentados no Capítulo 7.

3

2. Estado de Arte da abordagem “Life Cycle Engineering”

Ao longo das duas últimas décadas a sustentabilidade e responsabilidade social são

duas temáticas que têm vindo a emergir no domínio das estratégias de negócios [2.1]

O crescente interesse no Ciclo de Vida de um produto, pode ser explicado através de

questões ambientais, económicas e de carácter técnico. Diferentes diretivas obrigam os

fabricantes a ser responsáveis pelo fim de vida dos seus produtos, bem como a criarem

cenários viáveis à execução desse mesmo fim de vida [2.2].

Por outro lado, a feroz concorrência do mercado atual, provoca uma diminuição do

intervalo de tempo de substituição entre produtos, fazendo com que ocorra mais frequentemente

o descarte/reciclagem. Deste modo, é importante maximizar a percentagem de utilização de

recursos e minimizar os danos infligidos ao meio ambiente durante a vida de um produto [2.3].

A par disto, a continuação do crescimento da população mundial e o aumento da procura

por riqueza dos países em vias de desenvolvimento, ameaçam o esgotamento de reservas

naturais, bem como o aumento da quantidade de poluição [2.4]. Não menos importante, é na

indústria da transformação de recursos que se encontra o verdadeiro desafio em conseguir

satisfazer a procura mundial de bens, utilizando uma quantidade limitada de reservas. Contribuir

para uma sociedade sustentável está a tornar-se, cada vez mais uma questão de sobrevivência

em desenvolvimento corporativo [2.5].

Segundo Tseng, para se conseguirem evitar todos estes problemas têm que ser tomadas

medidas de imediato, utilizando metodologias agressivas e eficazes, de modo a conseguir-se

criar um Mundo novamente sustentável [2.5].

Em linha com esta tendência, surge a Engenharia do Ciclo de Vida, ou em Inglês, Life

Cycle Engineering [2.5].

“Life Cycle Engineering” 2.1.

Presentemente, devido ao mercado global existente, as empresas têm que se manter

competitivas para conseguirem subsistir. Por outro lado, com o aumento da consciencialização

dos produtores, no que toca a temas sobre o ambiente, e a necessidade de uma ferramenta que

tenha em consideração elementos como design, produção, distribuição, aplicação e

manutenção, surge o Life Cycle Engineering – LCE [2.6], [2.7].

LCE é uma abordagem de análise de desempenho do Ciclo de Vida, que serve de

suporte ao processo de tomada de decisão e seleção de tecnologias, materiais e processos

alternativos [2.8].

Numa análise LCE são englobados três campos indispensáveis à sua realização: Life

Cycle Cost – LCC – que se debruça sobre a análise económica, Life Cycle Assessment – LCA –

que se encarrega do estudo dos impactos ambientais e o Desempenho Técnico, responsável por

garantir a funcionalidade desejada do produto [2.9].

4

A abordagem LCE centra-se no desenvolvimento e fabrico de produtos de forma a

minimizar os impactos ambientais e custos associados à produção destes, tendo sempre

presente o seu desempenho [2.10].

Por outro lado, também fornece uma visão equilibrada do investimento, considerando as

etapas que se verificam durante o Ciclo de Vida de um produto, onde se destacam a construção,

a manutenção, a renovação e o fim de vida (desmantelamento, reciclagem, desperdício, etc). As

motivações para se realizar um estudo LCE são o meio ambiente, a economia, regulamentos e

padrões [2.8].

Tem sido aplicado na seleção de tecnologias a empregar, bem como na seleção de

materiais. Na fase de design de um produto, uma das etapas mais importantes é a seleção de

materiais. As decisões tomadas durante esta fase têm bastante influência relativamente aos

custos do produto e impactos ambientais no seu Ciclo de Vida. Ao selecionar um material para

um conjunto específico de funcionalidades, as propriedades do material estão intrinsecamente

relacionadas com os requisitos de projeto, logo, os materiais são selecionados de acordo com

as suas propriedades mecânicas e considerações económicas [2.9], [2.11].

Com o objetivo de ilustrar o espaço de decisão de alternativas com o melhor

desempenho, alguns autores propõe a utilização de digramas ternários. Nestes diagramas a

informação recolhida da aplicação desta abordagem é agregada, tal como ilustrado na Figura

2-1, mostrando claramente as possíveis escolhas de acordo com a importância dada às três

dimensões da análise [2.9], [2.11].

Figura 2-1 – Metodologia de aplicação da abordagem LCE [2.12].

5

“Life Cycle Cost” 2.2.

A ferramenta Life Cycle Cost – LCC – foi desenvolvida por agências governamentais

Norte Americanas, por volta dos anos 60, com o intuito de se obter uma otimização dos custos

na aquisição de bens, tais como, grandes equipamentos tecnológicos. Em contrapartida , a

importância de estimar e controlar os custos durante o processo de desenvolvimento do produto

com o objetivo de limitar o custo de produção deste, é considerado um fato de extrema

importância no desenvolvimento de um produto eficiente. O constante crescimento da

necessidade dos produtores em possuir uma ferramenta que lhes possibilita desenvolver

produtos com o menor custo de aquisição, uso e eliminação fez com que o LCC se tornasse

numa metodologia que deve ser considerada durante as fases iniciais do desenvolvimento

desse mesmo produto [2.12], [2.13].

Por definição, LCC é um método de organização de custos com o objetivo de estimar o

custo associado à existência do produto desde o início até à sua eliminação. Numa análise Life

Cycle Cost devem ser considerados os custos relacionados com a aquisição de matéria-prima

(materiais), produção, transporte, uso e fim de vida [2.12], [2.13].

O principal objetivo de uma análise LCC é o fornecimento de dados que possibilitem a

escolha da abordagem com a maior relação benefício/custo, considerando toda a janela

temporal de uso do produto, de modo a que a longo prazo os custos para o proprietário sejam

mínimos [2.12], [2.13].

Visto que este método permite identificar a solução mais económica a longo prazo, uma

análise apropriada contribui para um aumento na competitividade do produto f inal. Permite

também ao projetista estimar a contribuição dos diversos fatores de custo nas diferentes fases

do Ciclo de Vida. Por estas razões, a ferramenta LCC, tem sido utilizada em diversos ramos de

engenharia, adaptando a sua metodologia a cada caso particular [2.12], [2.13].

Uma análise LCC inicia-se com a caraterização do objeto em estudo, de modo a serem

definidas as fronteiras do problema. Depois desta fase, desenvolve-se um Modelo de custo onde

são introduzidos os dados de entrada (inputs). O Modelo é validado através de uma avaliação

precisa dos dados de saída (outputs), com uma análise de sensibilidade [2.13].

A principal limitação deste Modelo prende-se com a necessidade de recolha de uma

elevada quantidade de informação que, na maior parte das vezes, não se encontra disponível

ou, dificilmente se consegue introduzir no Modelo. Para se ultrapassar esta limitação pode-se

recorrer ao desenvolvimento de Modelos de custo estocásticos, utilizando um julgamento

subjetivo [2.14].

6

“Life Cycle Assessment” 2.3.

O desenvolvimento da metodologia Life Cycle Assessment tem as suas raízes no final

dos anos 60 e início dos anos 70. Os primeiros estudos que aplicaram uma perspetiva de Ciclo

de Vida num sistema produtivo ocorreram nos EUA, com foco no meio ambiente e nos impactos

de diferentes tipos de produtos. A consciência ambiental na época era caracterizada por uma

inquietação particular no possível esgotamento de recursos, ilustrado pela primeira crise de

petróleo mundial em 1973. A principal preocupação foi, portanto, o de consumo de energia e

recursos, sem se fazer referência às emissões e às consequências que daí advém [2.14], [2.15],

[2.16].

LCA é uma metodologia que tem sofrido um constante desenvolvimento, devido ao

aumento da preocupação em criar um ambiente sustentável onde não são consumidos mais

recursos do que aqueles que o planeta Terra tem para oferecer. Por outro lado, o aumento no

uso de energia obtida a partir de combustíveis fósseis tem consequências gravíssimas a nível

ambiental e de saúde pública [2.17].

De acordo com a norma ISO 14040 [2.18], LCA pode ser definido como sendo uma

técnica que avalia os potenciais impactos ambientais associados aos inputs/outputs de um

sistema produtivo. Também interpreta os resultados do inventário dessas entradas/saídas e as

fases de impacto em relação aos objetivos de estudo. Tem como princípios um focus ambiental,

onde atribui a cada produto os aspetos e impactos ambientais de um sistema produtivo; uma

abordagem estruturada à volta de uma unidade funcional, que serve como meio de comparação

entre produtos; transparência de resultados, bastante importante na interpretação destes [2.19].

Atualmente a metodologia LCA assenta em quatro etapas principais [2.16], [2.19]:

Definição do objetivo e âmbito do estudo

Análise de inventário (Life Cycle Inventory - LCI)

Avaliação do impacto (Life Cycle Impact Assessment - LCIA)

Interpretação do estudo

Figura 2-2 – Principais etapas do LCA [2.19].

7

A primeira fase da implementação de uma metodologia LCA é a definição do objetivo e

âmbito de estudo. Nesta fase a finalidade do estudo é definida e a avaliação é delimitada em

termos de fronteiras do sistema produtivo. São demarcados os procedimentos de alocação, bem

como, a metodologia de atribuição de impactos. Para além das suposições que se fazem nesta

fase, é definida a unidade funcional [2.19].

A unidade funcional descreve as funções primárias de um produto e indica a quantidade

desta unidade que deve ser considerada no estudo. A sua principal função é fazer com que os

sistemas sejam tratados de forma equivalente e é usada como base para selecionar alternativas

[2.19].

Depois de se definir o âmbito do sistema produtivo, na análise de inventário (LCI),

recolhem-se informações acerca dos inputs/outputs para todos os processos dentro dos limites

desse âmbito. Estes dados são, posteriormente, compilados numa árvore de processos ou num

diagrama de fluxos classificando os estágios do Ciclo de Vida [2.19].

Para cada etapa do Ciclo de Vida recolhem-se dados referentes às emissões e recursos

utilizados em cada processo. Nesta fase existe um ponto critico – a alocação. A alocação é a

atribuição de impactos/danos ambientais a cada produto.

É bastante difícil e controverso realizar a alocação, pois a maior parte dos processos

industriais têm mais que um produto final, bem como, níveis intermédios de reciclagem [2.19],

[2.20], [2.21].

O objetivo da avaliação Life Cycle Impact Assessment é o de interpretar os resultados do

inventário em categorias de potenciais impactos. Nesta análise identificam-se e quantificam-se

as intervenções ambientais que contribuem para uma certa categoria de impactos (classificação

e caraterização), normalizam-se os resultados da fase anterior fazendo uso de valores de

referência (normalização) e agregam-se os diferentes impactos de modo a reduzir número de

categorias de impacto no resultado final (ponderação) [2.19], [2.21].

Na última etapa do LCA os resultados das outras fases são interpretados de acordo com

o objetivo do estudo com sensibilidade e incerteza. O resultado da interpretação determina os

efeitos relevantes bem como a extensão destes. Prevê também o prejuízo causado nos

ecossistemas e na saúde humana. Estes dois últimos passos são avaliados a partir do

parâmetro Eco indicador 99 que será abordado na subsecção seguinte [2.19].

Uma empresa que tenha como objetivo produzir de uma forma sustentável, tem de

pensar no sistema produtivo como um todo e não apenas sobre os processos que pertençam à

sua própria esfera de responsabilidade legal. O sistema que é utilizado para a avaliação do

Ciclo de Vida permite à empresa averiguar que, quando uma solução é implementada para

resolver um problema a uma dada altura do Ciclo de Vida, pode criar outro problema noutro

ponto qualquer desse ciclo. Esta característica torna o LCA uma ferramenta de apoio à decisão,

valiosa em empresas que privilegiam o desenvolvimento das suas atividades numa direção

sustentável [2.15], [2.16].

8

A principal limitação da implementação de uma metodologia LCA prende-se com o facto

de esta apenas efetuar uma avaliação em termos ambientais, não incluindo uma avaliação socio

económica. Outras desvantagens que se verificam quando se aplica esta ferramenta são a

dependência do âmbito e da disponibilidade de informação, bem como, a simplificação de uma

realidade complexa. Esta ferramenta não deve ser usada quando o objetivo é comparar

impactos ambientais de produtos que servem propósitos distintos [2.19].

Por outro lado, a primeira vantagem que se verifica quando se aplica esta ferramenta é

uma avaliação dos impactos ambientais a nível global e regional adicionando objetividade à

avaliação dos impactos. Deste modo, deve ser utilizada para identi ficar as fases mais

dominantes no Ciclo de Vida de um produto, comparando sempre impactos ambientais de

diferentes produtos mas com funções idênticas [2.16], [2.19].

Eco indicadores 2.4.

Os indicadores ecológicos são usados para comunicar o impacto que a atividade

humana tem sobre os ecossistemas. Estes Eco indicadores ajudam a descrever estes impactos

de uma forma simples e de um modo percetível, com vista ao auxílio na tomada de decisão.

Quantificam o contributo das diversas intervenções ambientais de um sistema para um c onjunto

de categorias de impacto ambiental e integram as categorias num único indicador [2.21].

Para proceder à avaliação de impacto ambiental foi apenas considerado o Eco indicador

99 (EI’99), mas, por motivos de contextualização, irá ser abordado sucintamente o Eco indicador

95 (EI’95).

Eco indicador 95 2.4.1

O Eco indicador 95 permite efetuar uma classificação, caraterização e normalização dos

impactos ambientais de acordo com os seus efeitos. Primeiramente os impactos ambienta is

relacionados com o produto em estudo, são agregados em efeitos a eles associados, e numa

fase posterior, os resultados daí provenientes, são baseados numa avaliação subjetiva,

convertidos num só valor. Tal como apresentado na Figura 2-3, de uma forma sucinta, os

poluentes são agrupados consoante os impactos ambientais que provocam, e, seguidamente

estes impactos são distribuídos em efeitos que causam. A etapa mais controversa é a

correspondente à valorização subjetiva onde são atribuídas ponderações às categorias de

impactos ambientais de forma a poder obter-se apenas um valor [2.22], [2.23].

9

Figura 2-3 – Método do Eco indicador 95 [2.23].

Eco indicador 99 2.4.2

Como já foi referido anteriormente o EI’ 99 sucede o EI’ 95. Sendo a ponderação o ponto

mais crítico e controverso da etapa LCIA, a metodologia EI’ 99, foi desenvolvida com base numa

abordagem top-down onde a pesagem é o ponto de partida. De modo a simplificar e a tornar

mais percetível a ponderação, esta primeira fase foi dividida em três grupos de danos

ambientais [2.20], [2.23]:

Saúde Humana

Qualidade do Ecossistema

Recursos

O impacto na saúde humana é medido em unidades DALY (Disability Adjusted Life

Years), que representam os anos de vida perdidos ou com incapacidades em consequência dos

impactos das emissões [2.24].

Na qualidade do ecossistema, o impacto, é representado pela fração potencialmente

afetada (PAF) ou pela fração potencialmente desaparecida (PDF) de espécies, sendo o impacto

ambiental dado pelo potencial de aquecimento global (GWP) e pelo potencial de destruição da

camada de ozono (ODP) [2.24].

10

A extração de recursos está relacionada com um parâmetro que indica a qualidade dos

restantes recursos minerais e fósseis [2.24].

Este indicador considera a análise de três campos do conhecimento científico,

nomeadamente a tecnosfera, a ecosfera e a valoresfera. O domínio da tecnosfera lida com os

processos tecnológicos e sistemas desenvolvidos por humanos. A ecosfera modela os danos

que são infligidos no ecossistema. Por último, a valoresfera incorpora a modelagem da

gravidade dos danos infligidos no ecossistema, bem como a administração de opções de

modelação que são feitas na tecnosfera e na ecosfera. Neste último campo, três arquétipos

humanos são desenvolvidos (individualistas, equalitários e hierarquistas), para se determinar

distribuição de fatores de pesos entre saúde humana, ecossistema e recursos (Tabela 2-1).

Normalmente, a perspetiva aceita é a hierarquista, por ser uma abordagem mais moderada

[2.24].

Perspetivas

Categorias de Dano Individualista Equalitária Hierarquista

Ecossistema 25 50 40

Saúde Humana 55 30 30

Recursos 20 20 30

Tabela 2-1 – Pesos de cada categoria consoante a perspetiva [2.24].

Na figura seguinte, apresenta-se um esquema geral da obtenção do Eco indicador, que

é, em suma, o que foi descrito acima.

Figura 2-4 – Método do Eco indicador 99 [2.24].

11

“Process-based Cost Modeling” 2.5.

Em quase todos os sectores da economia, verifica-se uma característica contínua de

mudança e inovação tecnológica, definidora da indústria moderna. No entanto, apesar deste

contexto, os empresários, têm que, continuamente escolher novas tecnologias, sejam elas,

materiais, processos ou arquiteturas. Acrescentando dificuldade a estas decisões, o

desempenho económico associado ao surgimento de tecnologias inovadoras está em constante

mudança. Estas alterações podem surgir devido a um número variado de mecanismos,

incluindo, por exemplo, economias de escala e diversificação dos preços associados a

tecnologias. Todos estes fatores levantam questões relacionadas com a melhor escolha do

caminho a seguir no processo produtivo, bem como, estratégias a utilizar de modo a que

eficiência seja maximizada para se diminuírem os custos [2.25].

Uma estratégia utilizada para lidar com estas constantes alterações consiste no

desenvolvimento de Modelos Tecnológicos de Custo baseados no Processo (Process-based

Cost Modeling - PBCM). Este, é normalmente descrito como um método de estimativa de custos,

que utiliza as propriedades físicas de um produto e as características do processo de fabrico do

produto, para estimar o custo de fabrico [2.26].

Tal com exemplificado na Figura 2-5 – Etapas correspondentes à lógica de

funcionamento do PBCM [2.26]., a lógica destes Modelos inicia-se com a descrição do produto

em termos de características e propriedades físicas. Segue-se a modelação de cada processo

de fabrico envolvido definindo as relações existentes entre os parâmetros do processo (tempo

de ciclo, equipamento, volume de produção, etc) e o desempenho do mesmo. Após terem sido

definidas as condições operacionais e recursos necessários existe uma adaptação do Modelo

Tecnológico (PBCM) para ser utilizado no Modelo Integrado. Os recursos consumidos, tais como

materiais, energia, ferramentas, entre outros, são multiplicados pelos valores específicos de

impacto em custo e em milipontos de Eco indicador [2.26].

Figura 2-5 – Etapas correspondentes à lógica de funcionamento do PBCM [2.26].

12

A parametrização das variáveis dos vários processos presente nos PBCM permite a

realização de diversos tipos de comparação de desempenho através da realização de análises

de sensibilidade e do cálculo de desempenho para vários cenários produtivos e/ou de negócio.

Esta ferramenta fornece uma compreensão técnica de como os custos evoluem

dependendo do produto e das características do processo. Em particular, os resultados

demonstram que o âmbito e o calendário dos custos variam ao longo dos processos

dependendo das suas características técnicas e financeiras [2.26].

O Modelo Tecnológico baseia-se em princípios técnico-científicos que relacionam as

características do produto final tais como, tamanho, forma e material, com os parâmetros

técnicos do processo necessários à produção. Nestes parâmetros estão incluídos o tempo de

ciclo, capacidade do equipamento e informações acerca de ferramentas [2.26].

13

Referências 2.6.

[2.1] Shahbazpour, M.; Seidel, R. H.; 2006; Using Sustainability for Competitive Advantage;

Leuven, 13th

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Engineering; Disponível em: <http://www.mech.kuleuven.be/lce2006/162.pdf>.

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Technology, vol. 44, pp. 569-580.

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engineering in Green design and manufacturing; Engineering Applications of Artificial

Intelligence, pp. 91-103.

[2.7] Pingtao, Yan; MengChu, Zhou; Donald, Sebastian; 1999; An integrated product and

process development methodology: Concept formulation; Robotics and Computer Integrated

Manufacturing, pp. 201-210.

[2.8] Wanyama, W.; Ertas, A.; Zhang, H. C.; Ekwaro-Osire, S.; 2003; Life-cycle engineering:

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methodology applied to material selection, a fender case study; Journal of Cleaner Production.

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Caso de estudo de um guarda-lamas.

[2.12] Ribeiro, Inês; Peças, Paulo; Henriques, Elsa; 2008; A Roadmap to the Implementation of

Life Cycle Approaches in the Design of Plastic Injection Moulds.

[2.13] Folgado, R.; Peças, P.; Henriques, E; 2010; Life cycle cost for technology selection: A

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14

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[2.20] Suh, Sangwon; Huppes, Gjalt; 2005; Methods for Life Cycle Inventory of a product;

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[2.23] Goedkoop, M,; 1996; The Eco-indicator 95, Final Report; Disponível em

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[2.26] Nadeau, M.; Kar, A., Roth, R.; Kirchain, R.; 2010; A dynamic process-based cost

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Production Economics, vol. 128, pp. 223-234.

[2.27] Morosuk, T.; Tsatsaronis, G.; Koroneos, C.; 2012; On the Effect of Eco-indicator

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Ecos 2012.

[2.28] Eco-indicator 99 – Manual for Designers; Disponivel em:

<http://www.slideshare.net/guest05414e/ei99-manual>

15

3. Estado de Arte de Microfabricação

Graças ao crescente desenvolvimento tecnológico, existem, cada vez mais, dispositivos

de dimensões reduzidas. Com o crescimento das indústrias de Microfabricação, têm surgido

diversas dificuldades no fabrico de peças de tamanho reduzido, de forma a tornar competitivas

as empresas utilizadoras destas tecnologias [3.1].

Neste capítulo, irão ser abordadas técnicas de fabrico de Microcomponentes e, em

especial, os moldes para injeção destas Microestruturas.

A história Portuguesa da indústria de moldes tem a sua génese na evolução da Indústria

do Vidro. De facto, foi graças a um senhor inglês, chamado Stephens que, acompanhado por

vários artesãos de apurada perícia, foi criada a "Fábrica-Escola Irmãos Stephens”, de onde

resultaria uma intensa atividade empresarial em diversos setores, que fazem hoje da Marinha

Grande e de Oliveira de Azeméis, referências industriais mundiais. É no fim da 2ª Guerra

Mundial, em 1945, que é criada a primeira empresa para o fabrico de moldes de injeção de

plásticos - Aníbal H. Abrantes. Neste seguimento, começaram a estabelecer-se outras empresas

produtoras de moldes. Atualmente, o setor de moldes em Portugal possui cerca de 500

empresas com a dimensão típica de PME's (Pequenas e Médias Empresas). Graças a atributos

como, sólida experiência e know-how, cumprimento dos prazos de entrega, rigoroso contro lo de

qualidade, elevada experiência e competitividade, faz com que Portugal se encontre entre os

maiores fabricantes mundiais de moldes, exportando cerca de 90% da sua produção ,

essencialmente, para mercados como a Alemanha, França, e EUA [3.2], [3.3], [3.4].

Sendo a transformação de plásticos uma das indústrias de eleição para a produção em

massa de artigos de grande consumo, a adoção de Microtecnologias por parte da indústria de

moldes resulta assim de uma forma natural [3.5].

O crescimento no desenvolvimento de Microsistemas gerou um aumento no interesse da

produção em massa de Microcomponentes. Na generalidade, estes Microcomponentes têm

dimensões na ordem do milímetro sendo que as suas unidades funcionais encontram-se na

gama do micrómetro. Espera-se que o mercado mundial de produção de Microsistemas cresça

para o quádruplo nos próximos dez anos, com o auxilio de implementação de processos

tecnológicos eficientes e de baixo custo, bem como, utilização de uma maior gama de materiais

poliméricos e metálicos [3.6].

16

Fabrico de Moldes 3.1.

O molde é o “equipamento” onde é injetado material fundido de forma a obter-se a peça.

É uma ferramenta que permite a enformação de peças, com variação em termos de tipo,

dimensão e complexidade. Na sua forma mais simples é constituído por duas meias matrizes -

cavidade e bucha - que constituem o negativo da peça que se pretende obter. O maior ou menor

grau de complexidade do projeto depende, basicamente, de aspetos económicos e tecnológicos,

tais como, o número de peças a produzir, especificações definidas para as mesmas e o

equipamento onde as peças vão ser processadas [3.4], [3.7], [3.8].

Para um molde desempenhar corretamente a sua função tem de cumprir com os

requisitos descritos abaixo [3.8]:

Produzir um volume com a forma da peça

Permitir o enchimento com o material fundido

Facilitar o arrefecimento do fundido no interior do molde

Promover a extração da peça

Na secção seguinte serão abordados os componentes do molde e os processos de

fabrico destes. Em geral, os moldes convencionais possuem componentes e técnicas de fabrico

semelhantes. No âmbito desta Tese, serão discutidos Micromoldes, que são similares aos

moldes usuais mas com dimensões reduzidas, assim, tanto os componentes, como os

processos de fabrico, são semelhantes.

Componentes do Molde 3.1.1

Um molde é essencialmente constituído por um conjunto de placas e calços. A estrutura

típica de um molde de duas placas (configuração mais simples) consiste numa placa fixa, ou

lado da injeção e uma parte móvel, ou lado da extração (Figura 3-1). A parte fixa é formada

pelas placas de aperto da injeção e cavidade, sendo que a parte móvel é constituída pelas

placas da bucha, reforço da bucha, aperto de extração e calços [3.3], [3.8], [3.9].

17

Figura 3-1 – Estrutura de um Molde [3.9].

Nesta estrutura são montados e/ou maquinados os chamados sistemas funcionais que

compreendem [3.3]:

Zona moldante – constituída pela cavidade (fêmea) e bucha (macho) que dão origem à

forma da peça. Como já foi referido anteriormente, a cavidade encontra-se montada no

lado da placa fixa e a bucha move-se com a placa móvel [3.3].

Escape de gases – quando o material é injetado na cavidade, o ar que ocupa esse

espaço deverá ser expelido, correndo o risco de este ficar sobreaquecido pelo aumento

da pressão e provocar marcas de queimaduras ou bolhas de ar na peça. Para se

eliminarem estes problemas é necessário possibilitar a saída de ar, através das faces de

separação das placas ou folgas dos pinos extratores [3.3].

Sistema de guiamento – este sistema permite montar o molde na máquina, bem como

o ajuste de todas as partes do molde. Para que não ocorram desalinhamentos entre a

cavidade e a bucha são utilizados sistemas de guiamento [3.3].

Sistema de alimentação – é através deste sistema que se efetua o enchimento do

molde. O material fundido passa desde a unidade de plastificação até à zona moldante.

O fundido entra no molde pelos gitos, que podem comunicar diretamente com a

impressão (injeção direta) ou, ramificar-se num sistema de canais de alimentação,

fazendo a ligação entre os gitos e as impressões [3.3].

Ponto de injeção ou Furo do molde – pequena abertura (orifício) através da qual o

fundido entra na cavidade [3.3].

Sistema de arrefecimento – o arrefecimento do material é efetuado por transferência

de calor para o molde. Furos, são maquinados nas imediações da zona moldante, para

permitirem a passagem de um fluido refrigerante [3.3].

Extratores – também conhecidos como ejetores, empurram diretamente a peça, para

que esta seja removida do molde. A área de contacto peça-extrator deve ser tanto maior

quanto possível, de modo a que a pressão diminua, a fim de não causar danos na peça

[3.3].

18

Insertos – Insertos ou machos, são “peças” colocadas no interior da moldação com o

objetivo de formar vazios, furos ou reentrâncias [3.3].

Estes são os componentes que encontramos numa configuração típica de um molde.

Como se enquadra no âmbito desta Tese, seguidamente, vai referir-se, com maior detalhe as

funções e características dos insertos nos moldes.

Insertos no Molde 3.1.2

Como já foi referido anteriormente, os insertos são elementos do molde que têm a

função de formar pontos sem material na peça final [3.3].

Habitualmente e, em especial no caso de moldes com geometrias mais complexas, para

otimizar a matéria-prima, em alternativa a se produzir o molde a partir de um bloco único, são

fabricadas peças individuais de menor dimensão. Estas são, posteriormente, ligadas ao molde

por vários processos, nomeadamente através de parafusos ou encaixe forçado. Visto por este

prisma, o uso de insertos, pode ser entendido como uma forma de se diminuírem os custos

associados à produção de moldes. Pode-se usar o mesmo molde para fabricar peças com

geometrias distintas, alterando apenas os insertos utilizados, ou seja, alterar a localização

destes, bem como, a quantidade e a geometria [3.10].

Por outro lado, também existem desvantagens associadas ao uso dos insertos. O facto

de serem postiços, à volta dos quais, o material fundido escoa e solidifica, devido ao gradiente

de temperatura que se verifica entre o fundido e o inserto, estão sujeitos a um maior desgaste

comparativamente com outros componentes dos moldes. Dependendo do material que constitui

o inserto, este pode-se combinar com o material fundido levando, por vezes, a operações de

limpeza ou até de remoção do inserto [3.11].

De modo a prevenir o desgaste precoce dos insertos, estes devem ser arredondados e

ser constituídos por materiais projetados previamente para o tipo de uso a que se destinam.

Também é aconselhável proceder-se ao revestimento do postiço, ou até tratamentos térmicos

[3.11].

Com a evolução das tecnologias, tem-se verificado um aumento no uso de peças com

dimensões cada vez mais reduzidas, assistindo-se à mesma situação no que toca aos moldes

que servem para produção dessas peças, e ainda no que diz respeito aos insertos, surgindo

uma nova categoria de insertos chamada Microinsertos.

19

O campo de aplicações dos Microinsertos tem vindo a aumentar com o desenvolvimento

de novas tecnologias. Em especial, na indústria eletrónica repara-se numa constante diminuição

do tamanho das peças fabricadas. Como exemplos temos telemóveis, computadores, etc.

Diminuindo o tamanho destes componentes, tem que, obrigatoriamente se reduzir as dimensões

dos seus constituintes tais como chips, processadores, memórias etc. Estes elementos são

exemplos de produtos que possuem na sua constituição Microinsertos, normalmente com a

função de efetuarem ligações entre circuitos. Por outro lado, muitos destes produtos apresentam

elevada procura por parte dos consumidores, fazendo com que as indústrias se tenham que

adaptar a estas exigências para satisfazer as necessidades de mercado. Uma das formas de

fabrico de muitos destes elementos é a injeção em moldes. Nos Micromoldes (assim

denominados não pela sua dimensão ser da ordem de grandeza do mícron mas por produzirem

peças de reduzida dimensão) geralmente são utilizados Microinsertos de aço de modo a que o

material escoe em volta deste, solidifique e por fim forme um orifício na peça final [3.12].

Processos de Fabrico de Moldes 3.1.3

Um projeto de molde obedece, normalmente, a um conjunto de requisitos que, podem

ser impostos, pelo equipamento de injeção, pela geometria das peças, pelo número de

moldações pretendido, entre outros [3.13].

Em geral, o processo produtivo dos moldes desenrola-se em quatro fases distintas (ver

Figura 3-2): Conceção e Desenvolvimento; Maquinagem; Montagem e Acabamento Superficial;

Ensaio do molde. Cada uma destas fases engloba diversas operações que dependem da

complexidade e das características específicas de cada molde. Ainda existem atividades

complementares, chamadas operações auxiliares, tais como Polimento, Controlo de Qualidade e

Manutenção [3.13].

20

Figura 3-2 – Fases do processo produtivo de um molde [3.13].

Fase da Conceção e Desenvolvimento do Molde

Nesta primeira fase, estão englobadas três atividades: i) análise da informação do

cliente; ii) desenho da peça; iii) projeto e desenho do molde. Tal como o nome indica, a primeira

atividade inicia-se com a receção de toda a informação disponibilizada por parte do cliente.

Depois de toda a informação ter sido analisada é efetuado o desenvolvimento e o desenho da

peça para, posteriormente, seguindo um processo iterativo, se cumprirem todas as

especificações e requisitos geométricos da peça. Após ter sido definida a geometria da peça,

efetua-se o projeto e desenho do molde, onde se definem, de forma rigorosa, todos os

elementos e sistemas funcionais (referidos no subcapítulo 3.1.1) do molde. Nesta fase, são

também definidos os materiais, elementos necessários ao fabrico e montagem do molde,

tratamentos térmicos, acessórios e quantidades necessárias [3.13].

Fase de Maquinagem

Pode-se afirmar que a fase de maquinagem é a que mais se destaca de todas as fases

em termos de custos e tempo despendido. Depois de concluída a fase de projeto do molde, os

técnicos iniciam o processo de planeamento das operações de maquinagem necessária. As

matérias-primas, para o fabrico do molde são encomendadas e, aquando a sua receção,

iniciam-se as operações de maquinagem. Nestas operações incluem-se o Galgamento, o

Desbaste, a Furação, a Retificação e Acabamento. Seguidamente irá ser descrito cada processo

mais pormenorizadamente [3.13].

21

Galgamento

O Galgamento é a primeira operação de maquinagem que se efetua ao material que

chega em bruto. Esta operação consiste em retirar uma camada superficial de material à peça,

sendo também designada por “retirar o cascão do aço”, colocar as faces em esquadria e deixar

a peça nas dimensões definidas. Normalmente, estas ficam com uma sobre espessura para

maquinagem ou acabamento posterior. Para esta operação, geralmente, são utilizados

equipamentos chamados fresadoras. Estes equipamentos realizam o Galgamento com

ferramentas de corte designadas por rocas e insertos cortantes [3.13].

Desbaste

Esta operação é a fase do processo onde é removida a maior quantidade de material e ,

por sua vez, a que produz maior quantidade de resíduos, as limalhas. No Desbaste inicia-se a

maquinagem ao bloco de material, deixando uma determinada sobre espessura mais ou menos

uniforme de material [3.13].

Furação

Na Furação efetuam-se os furos necessários no molde, em especial os furos longos para

a refrigeração [3.13].

Retificação

A Retificação é usada com vários objetivos, destacando-se a obtenção de faces

paralelas nas peças, cotas com tolerâncias apertadas e uma qualidade superficial fina [3.13].

Acabamento

O Acabamento pode ser realizado através de diversas tecnologias, entre elas destacam -

se, a Fresagem, a Eletroerosão (EDM) e Laser Milling.

Fresagem – A Fresagem é realizada com o auxílio de ferramentas de corte

denominadas por fresas, integrais ou de insertos, que removem o material

excedente dando à peça a forma final. Geralmente é uma operação realizada em

centros de maquinagem por fresadoras CNC [3.14], [3.15].

22

Figura 3-3 – Ilustração esquemática de corte por arranque de apara (Fresagem) [3.15].

Eletroerosão (EDM) – A Eletroerosão é um processo de origem termoelétrica que

remove material pontualmente por ação de sucessivas descargas elétricas, que

ocorrem num meio dielétrico que envolve a peça a maquinar e o elétrodo

ferramenta. É um processo indicado na maquinagem de formas complexas em

materiais condutores elétricos, especialmente aqueles de alta dureza, e de

dimensões reduzidas, difíceis de serem maquinados por processos tradicionais.

Na maioria dos casos o elétrodo é fabricado por processos de fresagem mas,

para geometrias mais complexas e dimensões reduzidas, é usado Laser Milling

[3.16], [3.17], [3.18].

Figura 3-4 – Ilustração esquemática da tecnologia EDM [3.17].

Laser Milling - O processo Laser Milling utiliza a energia emitida pelo Laser para

maquinar uma peça, removendo material através da vaporização e ablação. A

energia do Laser é focada na superfície do material, sendo absorvida

parcialmente. Esta capacidade de absorção por parte do material depende, não

apenas do material em si, mas também do seu acabamento superficial, da

densidade de potência aplicada e do comprimento de onda do Laser.

23

A energia absorvida difunde-se pelo material por condução e funde-o.

Finalmente, o material liquefeito é expulso como resultado da elevada pressão e

temperatura no final do impulso Laser [3.19], [3.20].

Figura 3-5 – Ilustração esquemática da tecnologia Laser [3.19].

Fase de Montagem e Acabamento Superficial

Durante esta operação, procede-se à montagem das várias peças maquinadas e dos

acessórios adquiridos dando, assim, corpo ao molde. Esta atividade é essencialmente manual,

onde os operadores têm à sua disposição alguns equipamentos específicos para operações de

afinação final. Nesta fase, efetua-se ainda o ajustamento correto das partes constituintes do

molde, o teste e verificação dos movimentos do molde e os ajustamentos necessários ao seu

bom funcionamento antes do primeiro teste [3.13]. O polimento também é uma operação

contabilizada nesta fase. É um processo moroso visto ser executado manualmente. Por vezes,

existem dificuldades na aplicação dessa operação devido à geometria complexa , com

reentrâncias, onde o acesso é dificultado, especialmente, em moldes de dimensão reduzida.

Para estes casos, ultimamente tem-se utilizado uma tecnologia recente chamada

Bombardeamento de Eletrões – EBM.

Bombardeamento de Eletrões (EBM) – Bombardeamento de Eletrões é um processo

onde eletrões a alta velocidade são concentrados num estreito feixe e direcionados à

peça. Uma corrente de eletrões é criada, aplicando uma diferença de potencial no

cátodo. A sua forma côncava concentra o feixe através do ânodo, onde é aplicado um

campo magnético para acelerar os eletrões.

24

Seguidamente, estes são conduzidos para a peça através de uma válvula,

aquecendo, derretendo e vaporizando o material. De modo a que o feixe não seja

defletido, todo o processo ocorre numa câmara de vácuo ou num ambiente controlado

com uma mistura gasosa especifica [3.21].

Figura 3-6 – Ilustração esquemática do processo EBM [3.21].

Fase de Ensaio do Molde

O teste ou ensaio do molde consiste na montagem do molde numa máquina de injeção,

o enchimento da cavidade com plástico e a observação da qualidade da peça obtida. Verifica-

se, também nesta fase, se todos os componentes do molde estão a funcionar corretamente e

analisam-se as peças obtidas para determinar se se encontram de acordo com as

especificações do cliente. No caso de incorreções ou incumprimento das especificações, o

molde regressa ao processo de fabrico para sofrer pequenas afinações ou alterações na sua

estrutura [3.13].

Para além de todas as operações referidas ainda se acrescentam o controlo de

qualidade e a manutenção. O controlo de qualidade é efetuado em todas as fases do processo

produtivo, onde é assegurado o cumprimento das especificações definidas. A manutenção é

assegurada pelos operadores aos equipamentos produtivos. Sempre que não existam

competências internas esta operação pode ser efetuada pelos representantes das marcas ou

outras entidades [3.13].

O processo acima explanado é um processo típico na fabricação de um molde. No

âmbito desta Tese, vai ser estudado o processo de fabrico de Micromoldes. Para os

Micromoldes as fases do processo são idênticas, diferenciando-se apenas os processos de

maquinagem que são chamados processos de Micromaquinagem.

25

A base para se aplicarem tais Microprocessos é idêntica, diferindo apenas elementos

específicos que irão ser referidos posteriormente.

Processos de Obtenção de Microcomponentes 3.2.

Atualmente, existem diversas formas de fabricar Microcomponentes, tais como LIGA

(tecnologia alemã que utiliza litografia, galvanoplastia e moldação), MicroFresagem,

MicroEletroerosão (MicroEDM) e Laser Milling. Estes métodos são bastante dispendiosos devido

aos recursos que utilizam, assim como, o tempo que consomem na fabricação dos

Microcomponentes [3.22], [3.23].

Um dos exemplos bastante comum destes Microcomponentes são os Microinsertos

pertencentes a moldes. Tipicamente um Microinserto pode ser fabricado utilizando as

tecnologias acima referidas. Apesar da popularidade destes processos, estes apresentam certas

limitações no que toca ao fabrico de Microinsertos. Tecnologias como LIGA só são capazes de

reproduzir peças a 2.5D. A Eletroerosão é incapaz de maquinar arestas vivas e cantos

pontiagudos. Acima de tudo, alguns destes processos são extremamente dispendiosos visto

serem tecnologias recentes e necessitarem de uma quantidade elevada de recursos e

equipamentos inovadores [3.22], [3.23].

Posto isto é importante explorar outros meios de Microfabricação de modo a se evitarem

algumas, se não todas, as deficiências acima referidas. Um potencial candidato é o processo

PIM (Powder Injection Moulding). PIM é um processo de moldação de Microestruturas que

conjuga as vantagens de produzir peças com geometrias complexas com a produção em massa

e bons acabamentos superficiais [3.11].

O primeiro passo trata da preparação de feedstock que consiste na combinação de uma

pequena quantidade de polímero termoplástico (ligante) com pó metálico, dando origem a uma

mistura que, quando fundida, escoa facilmente na injetora. Seguidamente, o feedstock obtido

através de uma misturadora, é fundido na injetora e forçado para a cavidade do molde durante a

moldação por injeção, assumindo a forma do molde. Após a moldação, o ligante é removido

através de um processo chamado debinding. Deste processo resulta uma estrutura metálica,

porosa e frágil chamada peça verde. Esta peça é, consequentemente, sujeita a tratamento

térmico – sinterização – de modo a densificar a estrutura e eliminar porosidades e tensões

acumuladas. Estas duas últimas etapas podem ser combinadas num único ciclo térmico sendo

que o debinding é o que mais tempo consome (Figura 3-7) [3.24], [3.25], [3.26].

26

Figura 3-7 – Processo PIM [3.26].

27

Referências 3.3.

[3.1] Qin, Yi; 2006. Micro-forming and miniature manufacturing systems — development needs

and perspectives; Journal of Materials Processing Technology , vol. 177, pp. 8-18.

[3.2] CEFAMOL, História da Indústria Portuguesa de Moldes; Disponível em

<http://www.cefamol.pt/cefamol/pt/Cefamol_IndustriaMoldes/Historia>.

[3.3] Relatório de Projeto de Moldes; Disponível em

<http://www.neemb.alunos.ipb.pt/relatorio_proj.pdf>.

[3.4] Breve Historial; Disponível em <http://fresador.tripod.com/historia.htm>.

[3.5] Evans, B.; Mehalso, R.; 2001; How small is small?: A Guide to the New Microfabrication

Design and Process Techniques; Medical Device & Diagnostics Industry, vol. 11.

[3.6] Piotter, V.; Bauer, W.; Benzler, T.; Emde, A.; 2001; Injection molding of components for

microsystems; Microsystem Technologies, vol. 7, pp. 99-102.

[3.7] Bourdon, R.; Schneider, W.; 2002; A Systematic Approach to Microinjection Molding;

Business Briefing: Medical Device Manufacturing & Technology.

[3.8] Pires, Inês; 2012; Moldação por Injecção; Aulas Teóricas de Transformação de Polímeros.

[3.9] A Estrutura do Molde; Disponível em <http://pt.scribd.com/doc/58497605/6/A-estrutura-do-

molde>.

[3.10] Molded-In Inserts: Precautions and Guidelines; Engineering Design; Disponível em

<http://www2.dupont.com/Plastics/en_US/assets/downloads/processing/DCI281.pdf>.

[3.11] Schneider, J.; Iwanek, H.; Zum Gahr, K.-H.; 2005; Wear behaviour of mould inserts used

in micro powder injection moulding of ceramics and metals; Wear, vol. 259, pp. 1290-1298.

[3.12] Jung, W. C.; Heo, Y. M.; Yoon, G. S.; Shin, K. H.; 2007; Micro Machining of Injection

Mold Inserts for Fluidic Channel of Polymeric Biochips; Sensors , vol. 7, pp. 1643-1654.

[3.13] INETI; 2007; Manual para a Prevenção de Resíduos.

[3.14] Usinagem; 2012; Disponível em <http://pt.wikipedia.org/wiki/Usinagem>.

[3.15] Milling; 2012; Disponível em

<http://www.mfg.mtu.edu/marc/primers/milling/index.html#Introduction>.

[3.16] Eletroerosão; 2012; Disponível em <http://pt.wikipedia.org/wiki/Eletroeros%C3%A3o>.

[3.17] Electron Erosão; 2012; Disponível em <http://www.electronerosao.com.br/oque.asp>.

[3.18] AgieCharmilles; 2012; Eletroerosão por penetração; Disponível em

<http://www.gfac.com/br/produtos/eletroerosao-por-penetracao/index.pt.html>.

[3.19] Pfleging, W.; Bernauer, W.; Hanemann, T.; Torge, M.; 2002; Rapid fabrication of

microcomponents – UV Laser assisted prototyping, laser micromachining of mold inserts and

replication via photomolding; Microsystem Technologies vol. 9, pp. 67-74.

[3.20] Bado, P.; Clark, W.; Said, A.; 2006; Introduction to Micromachining Handbook; Disponivel

em <www.cmxr.com/Industrial/Handbook/Introduction.htm>.

28

[3.21] McGeough, J., A.; 1998; Avanced Methods of Machining; Disponivel em

<http://books.google.pt/books?id=f7Uj1uTwkosC&pg=PA10&lpg=PA10&dq=electron+beam+mac

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PT&redir_esc=y#v=onepage&q=electron%20beam%20machining&f=false>

[3.22] Tang, Y.; Fuh, W.K.; Thian, S.C.H.; Lu, L.; 2007; Micro-mould fabrication for a micro-gear

via vacuum casting; Journal of Materials Processing Technology , vol. 192–193, pp. 334-339.

[3.23] Youn, S.W.; Takahashi, M.; Goto, H.; Maeda, R.; 2007; Fabrication of micro-mold for

glass embossing using focused ion beam, femto-second laser, eximer laser and dicing

techniques; Journal of Materials Processing Technology, vol. 187–188, pp. 326-330.

[3.24] Liu, L.; Loh, N.H.; Tay, B.Y.; Tor, S.B.; 2011; Microstructure evolution of 316L stainless

steel micro components prepared by micro powder injection molding; Powder Technology, vol.

206, pp. 246-251.

[3.25] Meng, Junhu; Loh, Ngiap Hiang; Fu, Gang; Tor, Shu Beng; Tay, Bee Yen; 2010;

Replication and characterization of 316L stainless steel micro-mixer by micro powder injection

molding; Journal of Alloys and Compounds, vol. 496, pp. 293-299.

[3.26] Liu, L.; Loh, N.H.; Tay, B.Y.; Tor, S.B.; Murakoshi, Y.; Maeda, R.; 2007. Effects of

thermal debinding on surface roughness in micro powder injection molding ; Materials Letters,

vol. 61, pp. 809-812.

[3.27] Singh, R.; 2005; Non-Tradicional Machining; Manufacturing Processes II.

[3.28] Marinov, V.; 2007; Non-Tradicional Processes; Manufacturing Technology; pp.141-148.

[3.29] Vicente,R.; 2007; Análise da Qualidade e Integridade Superficial de Peças Maquinadas

por Erosão Laser 3D.

29

4. Modelo Integrado de Apoio à Decisão

O principal objetivo deste trabalho prende-se com o desenvolvimento de um Modelo

Integrado de Apoio à Decisão, com a finalidade de se comparar o desempenho de alternativas

tecnológicas, em fase embrionária, numa perspetiva de Ciclo de Vida. O presente Modelo

incorpora três tipos de Modelos para análise de diferentes dimensões que se enquadram na

abordagem Life Cycle Engineering: Modelo LCC (dimensão económica), Modelo LCA (dimensão

ambiental) e Modelo de Desempenho Tecnológico baseado nos Processos (MTP).

Este último é apelidado de “Motor do Modelo” pois é adaptado, com base em modelos

tecnológicos de custo (PBCM), aos processos que mais adiante irão ser descritos. Esta

adaptação foi efetuada com o propósito de se obter uma quantificação integrada das duas

dimensões em análise (económica e ambiental). Deste modo, cada processo é parametrizado

sendo quantificado em termos de recursos consumidos, tempos, quantidades, etc.

Na presente situação, como se tratam de tecnologias que se encontram em fase de

desenvolvimento, por vezes, lida-se com dados/informação algo escassa e imprecisa. Posto isto

está-se perante situações em que o uso de análises de sensibilidade pode ser bastante útil para

o desenvolvimento do trabalho futuro.

Neste capítulo irão ser descritos os componentes referidos do Modelo Integrado. Esta

secção encontra-se dividida em três subsecções, uma para cada Modelo que constituem o

Modelo Integrado, de modo a fornecer-se toda a informação e lógica de funcionamento de cada

Modelo.

Modelo de Desempenho Económico – LCC 4.1.

Como referido anteriormente, foi desenvolvido um Modelo de Custo com o objetivo de

fornecer informações acerca dos custos envolvidos nos diferentes processos de fabrico para o

presente Caso de Estudo. A abordagem global do Modelo LCC encontra-se ilustrada na Figura

4-1.

30

Figura 4-1 – Modelo global LCC.

Neste Modelo, os custos totais encontram-se divididos em cinco tipologias de custo, tal

como exemplificado na Tabela 4-1. As fórmulas usadas para se calcular os diferentes custos

encontram-se no Anexo I.

Custo de Mão de Obra Custos associados ao trabalho efetuado pelos operadores

Custo do uso do Equipamento Custos associados aos equipamentos utilizados na produção

Custo do uso de Ferramentas Custos associados às ferramentas utilizadas

Custo de Energia Custos associados ao consumo energético

Outros Custos Custos associados a fluidos, gases e manutenção

Tabela 4-1 – Tipologias de Custos Totais.

Os custos totais provêm de uma separação em “custos parciais” por cada Alternativa do

Caso de Estudo que por sua vez se separam em fases e etapas. Para uma melhor compreensão

apresenta-se a figura seguinte:

31

Figura 4-2 – Modelo LCC de cada etapa do processo produtivo.

Na Figura 4-2 apresentam-se os inputs para cada etapa do processo. Uma descrição

sucinta dessas entradas encontra-se especificada na seguinte tabela:

Materiais Informações relativas aos materiais utilizados (Custo e

Densidade)

Ferramentas Dados das ferramentas (Custo e Tempo médio de Vida)

Fluidos Custo dos Fluidos

Gases Informações relativas aos Gases (Custo)

Máquinas Dados dos equipamentos (Custo de aquisição, Potência,

Tempo de Vida, Custo de Manutenção)

Tempo Informações relativas ao tempo despendido em cada etapa

Operadores Salário dos Operadores

Tabela 4-2 – Descrição dos inputs do Modelo LCC.

Modelo de Desempenho Ambiental – LCA 4.2.

Tal como descrito no Capitulo 2, a metodologia LCA compreende duas grandes sub

fases: descrição das matérias-primas utilizadas e emissões ocorridas durante o processo de

fabrico (LCI) e análise dos impactos infligidos devido às emissões/consumos (LCIA)

O Modelo LCA desenvolvido para este estudo encontra-se exemplificado

esquematicamente na Figura 4-3.

32

Figura 4-3 – Abordagem do Modelo LCA para o cálculo do Impacto Ambiental.

Na primeira fase da aplicação do Modelo LCA, os impactos são divididos em três

categorias: Recursos Consumidos, Emissões e Energia Consumida. Os impactos alusivos aos

Recursos Consumidos englobam todos os materiais e auxiliares utilizados na produção. A

categoria Emissões, engloba todos os gases libertados durante o processamento de materiais.

Por último, tal como o nome indica, a categoria Energia Consumida refere-se ao gasto de

energia durante os processos de fabrico. Somando estas três categorias de impacto obtém-se o

impacto total do Ciclo de Vida do produto.

Esta fase tem como principal objetivo o estudo dos impactos ambientais relacionados

com o processo de fabrico.

Na segunda fase (LCIA), aplicando um sistema de pesos às categorias de impacto

desenvolvidas na etapa anterior, agregam-se os impactos ambientais resultantes das emissões

e dos recursos consumidos, num indicador ambiental. Nesta Tese, foi implementado o Eco

indicador 99 por ser o mais utilizado na comunidade científica.

33

Modelo de Desempenho Tecnológico baseado nos Processos – MTP 4.3.

A ferramenta MTP foi adaptada ao presente caso de estudo de modo a avaliar o

desempenho económico e ambiental dos diferentes processos de fabrico. Para que o MTP

efetue os cálculos necessários para se estimar o desempenho de cada processo é necessário

introduzir um conjunto de informações que caracterizam o cenário industrial e produtivo.

Figura 4-4 – Principais etapas de cálculo do Modelo Tecnológico baseado nos Processos.

Em cada processo, o Modelo utiliza parâmetros que são introduzidos pelo utilizador

assim como, valores existentes nas bases de dados. Existem valores gerais que são

introduzidos inicialmente chamados de Variáveis Exógenas. Estas compreendem os dados

relativamente a dias por ano, horas por dia, salários brutos, custo unitário de energia e custo de

oportunidade. Em cada etapa, como variáveis de entrada, especificam-se, os equipamentos,

software, fluidos, materiais e gases utilizados, bem como, a introdução dos valores

correspondentes a tempos de processo e setup, uptime dos equipamentos, número e taxa de

ocupação dos operadores.

O uptime pode ser definido como sendo a percentagem de tempo que determinado

equipamento se encontra em produção, ou seja, tempo produtivo deste.

Em cada etapa de fabrico, consoante as escolhas efetuadas previamente, o Modelo

recorre a listagens de seleção, para proceder aos cálculos preliminares. Este Modelo tem em

memória três listas de dados distintas, uma para ‘Equipamentos’, uma para ‘Ferramentas’ e uma

para ‘Outros Dados’.

Em relação à primeira, os valores disponíveis são o custo de aquisição, a potência,

tempo médio de vida do equipamento e percentagem do esforço de manutenção relativamente

às necessidades de produção.

34

A listagem ‘Ferramentas’ tem como entradas, o tipo de ferramenta, o custo unitário e o

tempo médio de vida, para se poder estimar o impacto relacionado com a utilização de

ferramentas. Por último em ‘Outros Dados’ encontram-se dados referentes aos materiais, (tanto

do molde como de ligantes e pós metálicos) software, fluídos e gases. Estas listagens foram

desenvolvidas com o propósito de facilitar a introdução de dados no Modelo, bem como acelerar

o processo de comparação de alternativas.

Para além destas listas de seleção, o Modelo recorre ainda a relações e correlações

empíricas para estimar todos os tipos de recursos consumidos e os desperdícios e emissões

gerados. Estas quantidades determinam o desempenho de cada alternativa, pelo que são

cruzadas com duas bases de dados, de forma estimar esse desempenho numa dimensão

económica e ambiental.

O MTP em causa é um Modelo aberto que permite a variação de todas as entradas, tais

como, Volume de Produção, Custo Unitário de Energia, Salários dos Operadores, etc. Apesar

desta flexibilidade o grande propósito deste Modelo é permitir diferentes análises de

sensibilidade, não só comparando as alternativas propostas mas também estimar o desempenho

em vários tipos de cenários de produção e negócio.

35

5. Descrição do Caso de Estudo e Modelo Desenvolvido

O desenvolvimento desta Tese enquadra-se no Projeto ToolingEDGE com vista a

desenvolverem-se conhecimentos científicos e tecnológicos, metodologias de trabalho e de

organização inovadoras, adaptadas ao sector de Engineering & Tooling. O Caso de Estudo

proposto para este trabalho foi desenvolvido em pareceria com o IPN (Instituto Pedro Nunes) e

com as empresas especializadas no fabrico de moldes – Tecnimoplás e Famolde.

A metodologia utilizada neste Caso de Estudo consiste na aplicação do Modelo

Integrado de Apoio à Decisão numa perspetiva de Ciclo de Vida na comparação entre diversas

alternativas de fabrico de Microinsertos. Estes Microinsertos têm utilizações variadas em

moldes, cujo fabrico e características não fazem parte deste estudo. A comparação situa -se

assim no desempenho das alternativas de fabrico tendo em conta o desempenho médio dos

diferentes tipos de Microinsertos produzidos. A aplicação de processos de m aquinagem

convencionais à escala micro é recente, sendo o conhecimento limitado. Além disso, são

utilizados processos onde a experiência também é escassa. Está-se assim, numa situação muito

interessante de aplicação do Modelo Integrado, uma vez que poderão ser usadas as

características interpolativas e de análise de sensibilidade do Modelo Tecnológico para avaliar o

impacto dessa incerteza no desempenho das diversas alternativas. Este Modelo é apelidado de

Integrado pois nele encontram-se incorporados três Modelos discutidos anteriormente – Modelo

LCC, Modelo LCA e Modelo de Desempenho Tecnológico baseado nos Processos. A aplicação

deste Modelo Integrado tem como propósito ser um Modelo de apoio à decisão com vista a uma

análise com base numa perspetiva de Ciclo de Vida de um produto (Microinserto).

Tendo por base as alternativas tecnológicas em desenvolvimento no contexto da

“Indústria Eletrónica” para o fabrico deste componente, pode-se constatar que existem duas

grandes alternativas de obtenção de Microinsertos havendo três sub alternativas em cada uma

delas (Figura 5-1):

Alternativa 1 – Produção direta de Microinsertos; Alternativas de fabrico:

o Alternativa 1.A – Fabrico de Microinsertos por MicroFresagem

o Alternativa 1.B – Fabrico de Microinsertos por MicroEDM

o Alternativa 1.C – Fabrico de Microinsertos por Laser Milling

Alternativa 2 – Produção de Microinsertos por PIM; Alternativas de Fabrico do Micromolde:

o Alternativa 2.A – Fabrico do Micromolde por MicroFresagem

o Alternativa 2.B – Fabrico do Micromolde por MicroEDM

o Alternativa 2.C – Fabrico do Micromolde por Laser Milling

36

Figura 5-1 – Alternativas de fabrico de Microinsertos.

Pode-se considerar um Microinserto como sendo um “pino”, com 0.8 mm de altura e

base hexagonal com comprimento do lado de 0.3 mm, sendo que a superfície superior é

boleada, tal como especificado nas figuras seguintes. Para considerações materiais foi

calculado o volume do Microinserto. Chegou-se ao valor de 0.35 mm3

Figura 5-2 – Vista frontal dos Microinsertos.

37

Figura 5-3 – Vista de topo dos Microinsertos.

O objetivo da aplicação do Modelo a este estudo reside essencialmente em avaliar o

desempenho em termos económicos e ambientais das diferentes alternativas para diversos

cenários de produção. Será portanto relevante poder variar o número de Microinsertos a

produzir relacionando-o com a duração de cada componente utilizado em cada etapa do

processo de fabrico de Microinsertos. Pretende-se ainda conhecer a influência de fatores cujo

domínio do conhecimento é ainda limitado como o tempo de vida das ferramentas de

MicroFresagem, e o comportamento dos elétrodos em MicroEDM. Tem-se ainda como objetivo

conhecer o desempenho por parcela de impacto, por fase do Ciclo de Vida e por grupo físico de

impacto (materiais, energia, etc.). Todos estes pontos serão abordados pormenorizadamente

numa fase posterior da análise.

De seguida descreve-se em maior detalhe a sequência de produção de cada alternativa,

seguindo-se uma caraterização dos fluxos e recursos envolvidos em cada um dos processos

utilizados neste estudo.

Alternativa 1 5.1.

Na primeira alternativa, existem três tecnologias diferentes. A MicroFresagem é das três,

a mais antiga e a mais utilizada. Consiste numa remoção de material excedente, dando à peça a

forma final, com auxílio de ferramentas de corte denominadas por fresas. A MicroEDM é um

processo de origem termoelétrica que remove material pontualmente por ação de sucessivas

descargas elétricas, que ocorrem num meio dielétrico que envolve a peça a maquinar e o

elétrodo ferramenta. Por último, o Laser Milling é efetuado incidindo um feixe laser, que, devido

à sua densidade energética, funde o material e expele-o graças às elevadas pressões criadas,

devido às altas temperatura (Figura 5-4).

38

Figura 5-4 – Tecnologias utilizadas na Alternativa 1.

Alternativa 2 5.2.

Um dos principais objetivos deste Caso de Estudo é a utilização de tecnologias não

convencionais de fabrico de Microinsertos que sejam mais competitivas do ponto de vista do

custo de matéria-prima mas também do tempo de produção.

Neste sentido, o objetivo da Alternativa 2, é desenvolver um Micromolde que permita a

injeção em série de Microinsertos de modo a que estes possam ser substituídos de forma

individual, sem desmontagem integral ou reacondicionamento do molde a que se destinam, isto

é, reduzindo os tempos de paragem e manutenção.

O fabrico do Micromolde compreende quatro etapas, sendo estas, Conceção e

Desenvolvimento, Maquinagem, Acabamento Superficial e Montagem, tal como ilustrado na

Figura 5-5.

39

Figura 5-5 – Fases do Processo de Fabrico do Micromolde: Alternativa 2.

Na primeira etapa, é efetuado o projeto e desenho do Micromolde através de uma

representação 3D/2D, utilizando um software CAD, onde se definem com exatidão as dimensões

da peça, e todas as estruturas, tais como, zona moldante, sistemas de arrefecimento,

guiamento, encavilhamento e alimentação. Nesta etapa, são também ajustados os movimentos

efetuados pelas fresas para se obter a forma final, através de um software CAM.

Pode-se afirmar que a fase de Maquinagem é a que mais se destaca de todas as fases

em termos de recursos e tempo despendido pelo que o detalhe de informação é mais relevante.

Após a fase de projeto do Micromolde realizam-se as operações de Maquinagem. Nestas

operações incluem-se o Galgamento, o Desbaste, a Furação, a Retificação e o Acabamento

(Figura 5-5).

Depois de concluída a fase de maquinagem procede-se ao Acabamento Superficial. Este

acabamento superficial irá ser aplicado apenas nas zonas moldantes diferindo o tipo, consoante

a utilidade desejada para o molde, isto é, a durabilidade. Os Acabamentos superficiais

abordados no presente Caso de Estudo são EBM (Bombardeamento de Eletrões), Revestimento

e Têmpera.

40

Seguidamente, tal como esquematizado na Figura 5-5, o fabrico do Micromolde fica

concluído com a Montagem de todas as peças fabricadas, bem como os acessórios adquiridos

para este.

Depois de se ter fabricado o Micromolde procede-se à operação PIM. Conforme ilustrado

na Figura 5-6, a tecnologia PIM consiste num conjunto de processos que englobam, a

Preparação de Feedstock, a Moldação por Injeção, o Debinding e a Sinterização.

Figura 5-6 – Fases da operação PIM: Alternativa 2

Variáveis de Entrada, Saída e de Controlo 5.3.

As alternativas descritas utilizam diversos processos de maquinagem e de injeção. É

fundamental conhecer os recursos necessários à utilização de cada processo assim como

identificar os fluxos de entrada e saída para que se possa contabilizar cada processo em termos

de desempenho económico e ambiental. Esta identificação é também essencial para

parametrizar os processos tendo em mente não só as análises de sensibilidade mas também a

permanente alteração de condições operatórias por alteração das envolventes industriais e

económicas. Como existem processos com variáveis idênticas, estes foram agrupados por uma

questão de organização.

No fabrico do Micromolde da Alternativa 2, as variáveis das operações de arranque de

apara (Figura 5-7), até ao acabamento, são idênticas. A montante da operação, tem-se como

entrada a matéria-prima, ou seja, um bloco de aço para posteriormente ser maquinado. Para se

proceder a esta maquinagem é necessário um equipamento, energia para este funcionar e

ferramentas para se efetuar o corte. Para auxílio ao corte, utiliza-se um fluido para a

refrigeração e lubrificação da peça em causa. Por último é necessário mão de obra para se

efetuarem variadíssimas operações, tais como, fixação da peça, substituição de componentes,

controlo do processo, etc. Destas operações, resultam limalhas de aço, que consistem no

material removido, e resíduos tais como, fluídos e/ou ferramentas desgastadas.

41

Figura 5-7 – Fluxos e inputs dos Processos de Maquinagem: Alternativa 1 e 2.

Na Alternativa 2 são empregues três tecnologias alternativas de Acabamento do

Micromolde, que são idênticas às utilizadas na Alternativa 1 para produzir os Microinsertos,

bastando portanto uma descrição por processo.

As variáveis da MicroFresagem encontram-se especificadas na Figura 5-7. Para o Laser

Milling, através de uma análise da Figura 5-8, podemos verificar que este necessita de gás CO2

para o ambiente onde o feixe é aplicado. Tal como nas operações de maquinagem recorre a um

equipamento específico, consome energia e utiliza mão de obra. Para a realização de

MicroEDM, há que em primeiro lugar fabricar o elétrodo. Este é obtido por MicroFresagem,

maquinando um bloco de cobre. A MicroEDM, para além do equipamento, energia e mão de

obra, necessita de fluido dielétrico onde a peça é emersa (Figura 5-8).

42

a) b)

Em relação ao Acabamento Superficial do Micromolde as variáveis pouco diferem em

relação aos processos apresentados anteriormente. Para além dos inputs comuns

(equipamento, energia e mão de obra), o EBM necessita de uma mistura gasosa composta por

Hidrogénio e Oxigénio. O Revestimento, por ser uma etapa sub contratada não é contabilizado

no presente capítulo (Figura 5-9).

Figura 5-9 – Fluxos e inputs de EBM: Alternativa 2.

Figura 5-8 – Fluxos e inputs de a) MicroEDM b) Laser Milling: Alternativa 1 e 2

43

Depois de sofrer o Acabamento Superficial, procede-se à montagem de todos os

constituintes do molde. Esta etapa é essencialmente executada por um operador especializado,

que recorre a ferramentas específicas com um índice de desgaste muito baixo (Figura 5-10).

Figura 5-10 – Fluxos e inputs do Processo de Montagem: Alternativa 2.

A operação PIM é iniciada após a conclusão do fabrico Micromolde. A preparação de

feedstock apenas necessita de matéria-prima (pó metálico e ligante), de uma misturadora e das

habituais energia e mão de obra. Estas duas últimas variáveis irão estar presentes em todas as

operações referidas adiante. De seguida, o feedstock é injetado no Micromolde, através de uma

injetora. Deste passo resulta uma peça verde, que por ação de um forno, é-lhe removida o

ligante (peça castanha). A peça final é obtida depois da sinterização, efetuada no mesmo forno

do debinding. Na Figura 5-11 encontra-se exemplificado, esquematicamente, o processo PIM.

44

Figura 5-11 – Fluxos e inputs do Processo PIM: Alternativa 2.

Modelo de Desempenho Tecnológico baseado nos Processos 5.4.

Nesta secção é descrito o funcionamento do Modelo de Desempenho Tecnológico

baseado nos processos (MTP) para cada uma das alternativas em estudo. Neste caso apenas é

necessário efetuar um Modelo, pois, apesar de existirem, seis alternativas, os processos usados

são bastante semelhantes, assim como as sequências de produção, sendo possível integrar

toda a rede de interligações e sequência de cálculo num único Modelo (Figura 5-12). Refira-se

que a todos os processos envolvidos se aplicam os Modelos de LCC e LCA cujas estruturas

foram descritas anteriormente.

45

Figura 5-12 – Fluxograma do Modelo de Desempenho Tecnológico baseado nos Processos.

Primeiramente é requisitado ao utilizador que introduza o volume de produção de

Microinsertos a fabricar. Consoante a alternativa que se esteja a avaliar, é necessário inserir o

volume de produção espectável para o Micromolde (Alternativa 2) e os materiais utilizados bem

como as quantidades destes, para ambas as alternativas.

O Modelo contém algumas particularidades. Permite obter em simultâneo os resultados

para as seis alternativas, embora permita também apresentar apenas parte dessas alternativas

consoante a escolha do utilizador. Existe a possibilidade de se combinar o tipo de Acabamento

Superficial consoante a maquinagem final escolhida. No Acabamento Superficial podem ser

escolhidos três tipos: Revestimento, Têmpera e EBM. Para além de se poderem realizar as

comparações descritas acima, ainda se podem avaliar o desempenho referente à maquinagem

direta dos Microinsertos utilizando três tecnologias diferentes. Posto isto, pode-se verificar que o

Modelo permite diversas alternativas de avaliação/comparação de custos e impacto ambiental

para a obtenção de Microinsertos.

Relativamente à Alternativa 2, consoante o volume de produção de fabrico de

Microinsertos e o volume de produção espectável do Micromolde, o Modelo automaticamente

calcula o número de Micromoldes a produzir bem como todos os recursos utilizados na

produção desses Micromoldes necessários. O Modelo possibilita a introdução do número de

cavidades a maquinar no Micromolde, até um máximo de oito, adaptando todos os cálculos

consoante esse valor (como por exemplo cálculo da quantidade de material necessário para o

feedstock)

46

No que toca à operação PIM consoante o volume de produção, as quantidades de

material são calculados automaticamente recorrendo à base de dados dos materiais criadas

previamente.

Após terem sido efetuados estes cálculos, determinam-se automaticamente o número de

ciclos necessários para a misturadora, debinding e sinterização consoante a capacidade de

operação de cada equipamento.

Por último, caso o utilizador tenha uma estimativa de custos referentes ao uso das

ferramentas poderá introduzir esse valor como Input. Para se obter uma estimativa com menor

erro pode-se usar a listagem de dados ‘Ferramentas’, fazendo com que o Modelo chegue a um

valor de custo de ferramentas usando como base de cálculos o tempo médio de uso e o custo

de aquisição da ferramenta.

Para complementar a descrição do Modelo proposto é importante explanar o modo como

os fatores de impacto de cada processo envolvido e os recursos consumidos são contabilizados

numa perspetiva de Ciclo de Vida. É no fundo, a interligação entre o MTP e os Modelos de LCC

e LCA (Tabela 5-1 e Tabela 5-2).

Para ambas as alternativas foram consideradas quatro fases no Ciclo de Vida: Aquisição

de Material, Produção, Uso e Fim de Vida. A primeira refere-se essencialmente ao impacto

económico e ambiental do processo de obtenção do ma terial “nobre” do produto, ou seja, do aço

que no fim constitui o Microinserto. A fase de produção consiste essencialmente no fabrico do

Microinserto, sendo a fase do Modelo que contém mais detalhe e complexidade. De referir que

na Alternativa 2 existem duas etapas nesta fase, uma vez que há a necessidade de produzir o

Micromolde e só depois se procede à produção de Microinsertos por PIM. Segue-se a fase de

uso, que inclui a utilização do Microinserto em injeção tendo-se contabilizado apenas as

necessidades de manutenção. Como os Microinsertos são obtidos por processos diferentes é

natural que não tenham a mesma duração. A última fase é a de fim de vida dos Microinsertos .

47

Material Produção Uso Fim de Vida

Alternativa 1

Microinsertos Aço - - Microinsertos

MicroFresagem – 1.A -

. Ferramentas

. Fluido de corte

. Equipamento

. Operador

. Energia

. Resíduos

-

-

MicroEDM – 1.B -

. Elétrodo

. Fluido Dielétrico

. Equipamento

. Operador

. Energia

-

Laser Milling – 1.C -

. CO2

. Equipamento

. Operador

. Energia

-

Tabela 5-1 – Dados referentes a Material, Produção, Uso e Fim de Vida da Alternativa 1.

No fabrico do Micromolde, as entradas da Tabela 5-2, referentes ao Acabamento são

idênticas às da Tabela 5-1 por se tratar de tecnologias semelhantes, que usam os mesmos

inputs. Na operação EBM, na produção, para além de se utilizar equipamento, operador e

energia, ainda se acrescenta uma mistura gasosa. Na Alternativa 2, o material necessário à

produção dos Microinsertos, é uma mistura de pó metálico com ligante chamado feedstock.

Nesta fase, é usado o Micromolde fabricado previamente, que pode ou não, sofrer

operações de manutenção durante o seu uso. No fim de vida, é contabilizado o Micromolde e

posteriormente os Microinsertos, depois de servirem o seu propósito. Relativamente à etapa que

envolve o processo PIM, para além dos aspetos gerais já referidos, há que salientar a utilização

de Árgon e Hidrogénio, necessários para o ambiente dentro do forno, sendo que do debinding,

resulta, como resíduo, o ligante.

48

Tabela 5-2 – Dados referentes a Material, Produção, Uso e Fim de Vida da Alternativa 2.

De modo a ter-se uma melhor perceção dos resultados finais, o Modelo agrupa todas as

tipologias de Custo/IA numa só folha para se facilitar a comparação de todas as alternativas e

análises de sensibilidade que se desejem realizar. Na Figura 5-13, encontra-se representado

resumidamente a forma de apresentação dos resultados finais.

Material Produção Uso Fim de Vida

Alternativa 2

Micromolde Aço - - -

Galgamento - . Ferramentas . Fluido de corte . Equipamento . Operador . Energia . Resíduos

-

-

Desbaste -

Furação -

Retificação -

MicroFresagem – 2.A -

MicroEDM – 2.B -

. Elétrodo

. Fluido Dielétrico

. Equipamento

. Operador

. Energia

-

Laser Milling – 2.C -

. CO2

. Equipamento

. Operador

. Energia

-

Montagem - . Ferramentas . Operador

-

EBM -

. H2 + O2

. Equipamento

. Operador

. Energia

. Resíduos

-

Microinsertos Feedstock Molde Manutenção

do Micromolde

Microinsertos, Molde

Preparação Feedstock -

. Pó Metálico + Ligante

. Equipamento

. Operador

. Energia

-

. Pó Metálico + Ligante

Moldação por Injeção - . Equipamento . Energia . Operador

. Feedstock

Debinding - . Árgon + 5% H2

. Equipamento

. Operador

. Energia

. Ligante

Sinterização - -

49

Figura 5-13 – Esquema da organização final dos resultados fornecidos pelo Modelo.

O MTP fornece como outputs finais, custos e impactos ambientais totais para o Ciclo de

Vida dos Microinsertos. Através dos Modelos LCC e LCIA, explanados na subsecção seguinte, é

possível realizar o teste de diversas configurações e cenários particulares (análises de

sensibilidade) fornecendo as soluções ótimas, isto é, mínimos custos e/ou impactos ambientais.

No capítulo seguinte irão ser apresentados os resultados da avaliação de ambas as

dimensões, económica e ambiental, bem como a discussão destes e as diferentes análises de

sensibilidade referentes a este Caso de Estudo.

50

6. Aplicação do Modelo Integrado de Apoio à Decisão

No presente capítulo é aplicado o Modelo Integrado ao Caso de Estudo dos

Microinsertos, com vista à obtenção de análises económicas e ambientais, bem como a

discussão de todas as possibilidades e análises de sensibilidade desenvolvidas.

Primeiramente são discutidos resultados, com base em inputs fornecidos pelas

empresas que se encontram a desenvolver estas tecnologias (por isso estes valores são

considerados como valores expectáveis com base na experiência e conhecimento de

especialistas). Tal como referido anteriormente, estes processos são bastante recentes quando

aplicados à escala Micro. Sendo assim existem poucos dados e estudos referentes aos

comportamentos de cada tecnologia em diferentes cenários de produção.

Opta-se portanto, pela seguinte organização deste capítulo: subcapítulo 6.1 incorpora a

análise LCC, com dados estimados fornecidos pelas entidades competentes. O mesmo

acontece com o subcapítulo 6.2 onde se aborda a dimensão ambiental (LCA). Na última secção

deste capítulo são comparadas as alternativas em estudo, sendo analisadas consoante os seus

aspetos económicos e ambientais. Diferentes cenários produtivos são discutidos ao longo deste

capítulo, estando assim organizados de acordo com a dimensão em que se inserem.

Análise da Dimensão Económica 6.1.

O Modelo LCC é inicialmente aplicado a um volume de produção de 1000 Microinsertos

por Ano. As variáveis exógenas consideradas encontram-se descritas na tabela seguinte:

Dias por Ano 250 dias

Horas por Dia 8 horas

Salário Bruto Operadores 1200 €

Salário Bruto Designers 1800€

Número de Salários por Ano 14

Custo Unitário de Energia 0.07 €/kWh

Custo de oportunidade 15%

Tabela 6-1 – Variáveis Exógenas consideradas no Modelo LCC.

Seguidamente existe uma separação do Modelo consoante as alternativas em estudo.

Nos dois subcapítulos seguintes são descritos, em termos económicos, as duas alternativas de

fabrico de Microinsertos em estudo.

51

Alternativa 1 6.1.1

Anteriormente referiram-se as tipologias de custo, bem como as entradas necessárias

para o Modelo efetuar os cálculos. Como neste estudo existem diversas etapas nos diferentes

processos de fabrico de Microinsertos, esses inputs diferem de fase para fase.

Na Alternativa 1, para o presente Caso de Estudo, é necessário a introdução de inputs,

para todas as tecnologias, referentes a materiais, equipamento, tempo e operadores. Para o

caso de MicroEDM são consideradas ferramentas, não para o processo em si, mas para a

fabricação do elétrodo que é feita através de MicroFresagem (requer fresas). Relativamente ao

Laser, é a única tecnologia que requer gás e não utiliza nem ferramentas nem fluidos.

Os diferentes inputs utilizados no Modelo, tais como, tempos de processo e de setup,

uptime e tempos médios de vida de ferramentas/elétrodos encontram-se especificados na

Tabela 6-2. De notar que estes dados correspondem, a valores unitários, isto é, os tempos

apresentados são referentes ao fabrico de apenas um Microinserto. Definiu-se o material do

Microinserto como sendo Aço 2738 e um volume de 0.35 mm3. Em relação aos uptimes

apresentados, verifica-se que o do Laser é bastante inferior aos restantes, pois em termos

organizacionais da empresa, esta tecnologia é utilizada em aplicações específicas, fazendo com

que esteja menos tempo em produção relativamente às restantes tecnologias.

MicroFresagem MicroEDM Laser Milling

Tempo de Processo por Unidade (h:mm)

0:10 0:05 0:35

Tempo de Setup (h:mm) 0:30 1:00 1:00

Uptime do Equipamento 80 % 80 % 25 %

Número/Taxa de ocupação dos operadores

1/100%

Tempo Médio de Vida da Ferramenta de Corte (h:mm)

1:40 1:40 -

Tempo Médio de Vida do Elétrodo (h:mm)

- 0:05 -

Tabela 6-2 – Inputs introduzidos para cada tecnologia; Fonte: Tecnimoplás e Famolde.

Relativamente aos valores de rácios de custos, ou seja, os custos horários de

equipamento e operador e os custos unitários de fluidos e gases, encontram-se especificados

na Tabela 6-3.

52

MicroFresagem MicroEDM Laser Milling

Custo Hora-Máquina 35,51 €/h 36,33 €/h 129,48 €/h

Custo Hora-Homem 8,40 €/h

Custo do Fluido de Corte 7,00 €/l 7,00 €/l -

Custo do Fluido Dielétrico - 5,00 €/l -

Custo do Gás - - 2,80 €/l

Tabela 6-3 – Rácios de custo para as três tecnologias em estudo.

Para uma melhor perceção da quantidade de recursos consumidos no fabrico de 1000

Microinsertos, apresenta-se a Tabela 6-4 – Valores relativos a consumos de energia, fluidos,

gás, ferramentas, elétrodos e materiais para a Alternativa 1..

MicroFresagem MicroEDM Laser Milling

Energia Consumida 8,358 MWh 6,158 MWh 13,07 kWh

Fluido de Corte Consumido 16,7 l 16,7 l -

Fluido Dielétrico Consumido - 12,50 l -

Gás Consumido - - 522 l

Quantidade de Ferramentas Utilizadas

100 100 -

Quantidade de Elétrodos Utilizados

- 1000 -

Quantidade de Aço Utilizado 0,27 kg 0,27 kg 0,27 kg

Quantidade de Cobre Utilizado

- 400 kg -

Tabela 6-4 – Valores relativos a consumos de energia, fluidos, gás, ferramentas, elétrodos e materiais

para a Alternativa 1.

Através da observação da Tabela 6-3 pode-se verificar que o custo hora-máquina da

tecnologia Laser é bastante superior às outras duas tecnologias. Isto deve-se ao facto, de que

este equipamento apresenta um custo de aquisição superior aos outros (no Anexo II encontram-

se os dados referentes aos equipamentos utilizados), mas também porque o seu uptime é

bastante mais reduzido (Tabela 6-2).

Relativamente ao consumo energético, a fresadora é de longe o equipamento que mais

energia consome. A MicroEDM é um equipamento com uma potência relativamente baixa (30

kW em comparação com os 50 kW da fresadora), mas apresenta um valor de energia

despendido elevado devido à fase de fabricação dos elétrodos, que para além de serem

bastantes, necessitam de ser maquinados por MicroFresagem. Relativamente ao Laser, é um

equipamento com uma potência bastante reduzida e consome bastante menos energia que os

restantes, não obstante de demorar mais tempo no processo de fabrico.

Numa primeira abordagem, é considerado que cada ferramenta apenas resiste à

maquinagem de dez Microinsertos/Elétrodos e que cada elétrodo apenas erodia um elemento.

53

A quantidade de aço total utilizada é idêntica, para os três casos, pois ambas as

tecnologias removem a mesma quantidade de material.

Seguidamente (Tabela 6-5) apresentam-se os valores de tempo e custos finais

calculados pelo Modelo, consoante os inputs especificados anteriormente.

MicroFresagem MicroEDM

Laser Milling Elétrodo Erosão

Tempo Total (hhh:mm) 167:17 167:18 84:14 580:48

Mão de Obra 1.404,20 € 1.408,40 € 708,40 € 4.880,40 €

Energia 585,08 € 352,10 € 36,01 € 0,92 €

Equipamento 5.935,56 € 4.922,64 € 3.064,05 € 75.225,60 €

Ferramentas 18.000,00 € 18.000,00 € - -

Fluido 116,67 € 116,67 € 62,50 € -

Gás - - - 1.479,00 €

Manutenção 593,56 € 492,26 € 306,40 € 7.522,56 €

Material 0,69 € 4.000 € 0,69 € 0,69 €

TOTAL 26.635,07 € 29.292,07 € 4.178,05 €

89.109,17 € 33.469,43 €

Tabela 6-5 – Distribuição de custos finais e tempo total consoante as tecnologias em estudo, da

Alternativa 1, para o fabrico de 1000 Microinsertos.

Primeiramente é abordada a tecnologia Laser por se verificar ser a mais dispendiosa de

todas. Como o seu tempo de maquinagem é mais elevado que as restantes tecnologias,

resultam maiores custos de mão de obra, equipamento, gás e manutenção. Este elevado tempo

de maquinagem aliado a um custo hora-máquina elevado resulta num custo associado ao uso

do equipamento bastante superior às restantes tecnologias. Mais à frente, irá ser efetuada uma

análise de sensibilidade onde este parâmetro é discutido, isto é, consoante as taxas de remoção

de material do Laser irá ser discutido se o tempo de maquinagem utilizado é ou não viável.

Note-se que estes tempos de maquinagem foram estimados por especialistas e não em

resultados concretos.

Através da observação da Tabela 6-5, verifica-se que o custo final da MicroEDM é

especialmente penalizado devido à fabricação do elétrodo por MicroFresagem. Este representa

cerca de 90% do custo final desta tecnologia, pois numa primeira abordagem considera-se que

cada elétrodo só erode um elemento. Esta hipótese tem repercussões diretas em termos de

custo de material utilizado no elétrodo. Acrescentando a este fato, cada fresa só maquina dez

elétrodos fazendo com que estas duas etapas contribuam com um maior peso no custo final.

Em relação à MicroFresagem, apenas se verifica que a parcela correspondente ao

consumo de energia é superior comparando com as restantes tecnologias. Isto deve-se ao facto

da fresadora ser o equipamento com a maior potência instalada (Ver Anexo II). Na

MicroFresagem, o maior custo, corresponde ao consumo de ferramentas. Tal como na

fabricação do elétrodo, supôs-se que cada ferramenta maquinava dez Microinsertos, resultando

em custos bastante elevados.

54

Na Figura 6-1 encontram-se distribuídos os custos tal como enunciados na secção 4.1.

Figura 6-1 – Distribuição das tipologias de custo, em percentagem, por tecnologia de maquinagem

No que toca às duas primeiras tecnologias pode-se observar (Figura 6-1) que a maior

parcela é referente às ferramentas, seguido do uso de equipamento. Tal como referido

anteriormente, o equipamento, representa a maior “fatia” nos custos do Laser.

Em termos globais, a MicroFresagem é a melhor alternativa pois é a que menos tempo

consome e que acarreta menos custos. Apesar da fase de erosão ser bastante mais económica

que as restantes, a tecnologia MicroEDM é penalizada pela fabricação do elétrodo.

Como os dados utilizados para estas tecnologias são valores estimados, fornecidos

pelas empresas parceiras do projeto, foram criados diversos cenários produtivos nos quais

alguns parâmetros foram modificados com o intuito de se criarem diferentes situações para

posteriormente serem analisadas. Esta é uma das grandes vantagens da aplicação destes tipos

de Modelos a estes estudos.

Os tempos médios de vida dos elétrodos e das fresas são exemplos de alguns desses

valores.

55

Numa primeira aproximação foi considerado, para o caso da tecnologia MicroEDM, que

cada fresa maquinava dez elétrodos e que cada elétrodo maquinava um Microinserto. Como

estes processos de maquinagem utilizam tecnologias que englobam custos relativamente

elevados foi elaborada uma análise para se averiguar a influência destes tempos de vida no

custo final do Microinserto. O gráfico da Figura 6-2 ilustra a situação referida.

Figura 6-2 – Gráfico da variação do Custo por Microinserto consoante os tempos médios de vida das fresas e dos elétrodos.

Este gráfico, é um gráfico 3D onde o custo unitário dos Microinsertos varia consoante os

tempos médios de vida dos elétrodos e das fresas. Logicamente, que quanto menor estes dois

tempos de vida maior será o custo unitário. Repare-se que quando o elétrodo apenas maquina

um Microinserto e que quando uma fresa maquina dez elétrodos o custo unitário do Microinserto

dispara para valores aproximados de 35 €. Para uma melhor compreensão destas variações, na

Tabela 6-6, encontram-se especificados os valores que serviram como base à construção do

gráfico da Figura 6-2. Note-se, também, que ambos têm aproximadamente a mesma influência

no custo final. Para valores de tempos de vida de 10 Microinsertos e de 10 elétrodos os custos

unitários variam entre 7 e 8 €. A partir de tempos de vida de aproximadamente 50 componentes

estas variáveis deixam de ter influência no custo final, pois, para estes casos o custo que

prevalece é o do equipamento.

10

100

10000,00 €

5,00 €

10,00 €

15,00 €

20,00 €

25,00 €

30,00 €

35,00 €

110

50100

500

1000

Tempo Médio de Vida

das Fresas (unidades de elétrodos)

Cu

sto

Un

itár

io d

os

Mic

roin

sert

os

Tempo Médio de Vida dos Elétrodos (unidades de Microinsertos)

Variação do custo unitário dos Microinsertos consoante os Tempos Médios de Vida das Fresas e Elétrodos

50

500

56

Tempo Médio de Vida das Fresas

10 50 100 500 1000 Tempo Médio de Vida dos

Elétrodos

1 33,47 € 19,07 € 17,27 € 15,83 € 15,65 €

10 7,25 € 5,81 € 5,63 € 5,49 € 5,47 €

50 4,92 € 4,92 € 4,60 € 4,57 € 4,56 €

100 4,63 € 4,48 € 4,47 € 4,45 € 4,45 €

500 4,40 € 4,37 € 4,36 € 4,36 € 4,36 €

1000 4,37 € 4,35 € 4,35 € 4,35 € 4,35 €

Tabela 6-6 – Valores do custo unitário dos Microinsertos consoante os Tempos Médios de Vida das

fresas e dos elétrodos.

Para o caso do tempo médio de vida das fresas, na MicroFresagem, observa-se que,

como para a MicroEDM, aumentando este valor o custo unitário diminui tal como ilustrado no

gráfico da Figura 6-3. Através da observação do gráfico, repara-se que a partir de um tempo de

vida de 100 maquinagens o valor do custo por Microinserto tende para constante sendo que o

seu valor mínimo ronda os 9 €.

Figura 6-3 – Gráfico da variação do Custo por Microinserto consoante o Tempo Médio de Vida da Fresa.

Após a apresentação dos resultados preliminares obtidos através dos dados estimados

fornecidos, observa-se que a melhor tecnologia em termos de custos para a maquinagem direta

dos Microinsertos é a MicroFresagem.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Cu

sto

po

r M

icro

inse

rto

(€

)

Tempo médio de vida da fresa (unidades de Microinsertos)

Variação do Custo por Microinserto consoante o Tempo Médio de Vida da Fresa

57

Comparando dois cenários semelhantes, entre a MicroFresagem e a MicroEDM, com o

aumento do tempo de vida das fresas (para ambas as tecnologias) e dos elétrodos (para a

MicroEDM), repara-se (Tabela 6-6) que considerando um tempo de vida máximo tanto para as

fresas como para os elétrodos, a MicroEDM torna-se bastante mais económica (8.90 € para a

MicroFresagem e 4.35 € para a MicroEDM). Note-se também, que mesmo considerando o tempo

máximo de vida para as fresas na MicroFresagem (maquinagem de 1000 Microinsertos), a

MicroEDM continua a ser mais económica considerando um tempo médio de vida de 10

maquinagens para ambas as ferramentas (fresas para maquinar o elétrodo e elétrodos para

erodir os Microinsertos).

Posto isto, procedendo a uma alteração pouco significativa no tempo médio de vida do

elétrodo (de uma maquinagem para dez) a MicroEDM torna-se a tecnologia mais económica na

maquinagem direta de Microinsertos. Pode-se então afirmar que o custo do fabrico do elétrodo

constitui a parcela principal relativamente ao custo final desta tecnologia.

No seguimento da análise de custos, no que toca à maquinagem utilizando Laser Milling,

repara-se que o custo por Microinserto, utilizando esta tecnologia é bastante superior às

restantes. Tal verifica-se devido ao elevado custo hora-máquina relativamente às restantes

tecnologias (Tabela 6-3), que está dependente do uptime do equipamento (ver Tabela 6-2), que

para o Laser, é bastante inferior comparativamente à MicroFresagem e MicroEDM.

Posto isto, na análise seguinte, admitiu-se, para diferentes cenários, valores de uptime

oscilantes tal como exemplificado no gráfico da Figura 6-4.

O eixo das ordenadas corresponde aos custos hora-máquina, enquanto que o eixo das

abcissas corresponde aos uptimes do Laser (eixo inferior) e da fresadora e eletroerosora (eixo

superior). A curva a verde exemplifica a evolução do custo hora-máquina do Laser em função do

uptime, sendo que as curvas a azul e a encarnado são referentes à evolução do custo hora-

máquina da MicroFresagem e MicroEDM respetivamente.

Como de pode observar na Figura 6-4, existem três pontos correspondentes aos três

diferentes cenários discutidos nesta análise. O ponto a) refere-se ao cenário atual, ou seja, os

uptimes utilizados presentemente nas empresas e os respetivos custos hora-máquina. No ponto

b) representa-se o cenário intermédio, isto é, os diferentes valores de uptime, para os quais as

tecnologias apresentam o mesmo custo hora-máquina. Finalmente no ponto c) encontra-se o

cenário limite, onde se impõe um uptime de 100% para o Laser.

No cenário atual (ponto a)) verifica-se que o uptime do Laser (25%) é bastante inferior

aos uptimes da MicroFresagem e da MicroEDM (80%), fazendo com que o custo hora-máquina

do Laser seja bastante superior ao das restantes duas tecnologias. O ponto b), representa a

interseção da evolução do custo hora-máquina do Laser com a da MicroFresagem e MicroEDM.

Esta interseção corresponde ao ponto onde os custos hora-máquina se igualam.

58

Para o mesmo custo hora-máquina o Laser apresenta um uptime superior às restantes

tecnologias (54% contra 46%), pois o custo de aquisição deste equipamento é superior aos

restantes (Anexo II), encarecendo o uso desta tecnologia.

Para valores de uptime superiores a 54% para o Laser e inferiores a 46% para a

MicroFresagem e MicroEDM o custo hora-máquina do Laser é inferior às restantes tecnologias.

Relativamente ao cenário limite (ponto c)), para um uptime do Laser de 100%, o custo hora-

máquina é de 32,37 €, valor correspondente a cerca de 85% de uptime para a MicroFresagem e

MicroEDM. Esta consideração de aumento de uptime do Laser representa admitir que no futuro,

o volume de encomendas para esta tecnologia aumentaria, aumentando deste modo o uptime.

Figura 6-4 – Ilustração da evolução do Custo Hora-Máquina consoante o uptime do Equipamento para as

três tecnologias em estudo; a) Cenário atual – custos hora-máquina referentes aos uptimes utilizados

pela empresa; b) Cenário intermédio – ponto ilustrativo do uptime imposto para que as tecnologias

apresentem o mesmo custo hora-máquina; c) Cenário limite – custo hora-máquina da tecnologia Laser

para um uptime de 100%

No seguimento da análise à tecnologia Laser e à sua não competitividade em termos

económicos, bem como, um tempo de maquinagem mais elevado, relativamente às outras duas

tecnologias em estudo, é efetuada uma discussão à taxa de remoção de material de modo a

estimar-se um tempo de maquinagem diferente do fornecido pela empresa. Como ainda não

existe experiência suficiente por parte da empresa parceira do projeto, no campo da

Micromaquinagem, através de dados recolhidos em artigos científicos e trabalhos realizados

anteriormente, estimou-se um valor médio de taxa de remoção de material do Laser consoante a

profundidade de passagem.

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%

0 €

20 €

40 €

60 €

80 €

100 €

120 €

140 €

160 €

180 €

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Uptime do Laser

Custo Hora-Máquina

Uptime da Fresadora e da Eletroerosora

Evolução do Custo Hora-Máquina com o uptime do Equipamento

Laser

MicroFresagem

MicroEDM

a)

25% ; 129,48 €

a)

80% ; 35,51€

b)

46% ; 61,5€

54% ; 61,5€ c)

100% ; 32,37€

59

Esta aproximação encontra-se representada no gráfico da Figura 6-5.

De acordo com os dados recolhidos, foi elaborada uma regressão linear com o objetivo

de se estimar uma taxa de remoção de material admissível para o Laser, com fim a se calcular

um tempo de processo que esta tecnologia levaria a maquinar um Microinserto.

Por se tratar de uma geometria complexa com dimensões bastante reduzidas, as taxas

de remoção apresentadas são as típicas para a escala Micro, sendo bastante mais reduzidas do

que para a escala normal. Para o cálculo do tempo de maquinagem, irá ser utilizado um valor

intermédio de profundidade de passagem.

Para uma profundidade de passagem de 4 µm, obtém-se uma taxa de remoção de

material na ordem dos 0,035 mm3/min. Assumindo este valor de taxa de remoção, despender-

se-ia cerca de 10 minutos para maquinar um Microinserto.

Figura 6-5 – Evolução da Taxa de Remoção de Material do Laser em função da Profundidade de

Passagem; Fonte: [3.19], [3.20], [3.27], [3.28], [3.29].

À medida que forem surgindo resultados experimentais na empresa, bem como,

informação publicada adicional, esta equação deverá ser atualizada para o Caso de Estudo

específico.

Este tempo de maquinagem aproxima-se bastante dos tempos de maquinagem das

restantes tecnologias em estudo (ver Tabela 6-2). Posto isto, o custo associado à tecnologia

Laser diminuiria significativamente de cerca de 90.000€ para 25.700€.

y = 0,0092x - 0,0014

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0,045

0,05

0,055

0,06

0,065

0,07

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7

Taxa

de

Re

mo

ção

de

Mat

eri

al (

mm

3 /m

in)

Profundidade da Passagem (µm)

Evolução da Taxa de Remoção de material do Laser em função da Profundidade da Passagem

60

Alterando significativamente o tempo de maquinagem, o tempo que o equipamento se

encontra em produção diminui, diminuindo assim os custos associados ao uso deste, que são

bastante elevados devido ao custo horário que este apresenta. Em suma, para a fabricação de

1000 Microinsertos, com uma taxa de remoção de material obtida com base em artigos

científicos consultados, obtém-se a seguinte distribuição de custos:

Laser Milling

Tempo Total (dd:hh:mm) 07:00:00

Mão de Obra 1.411,20 €

Energia 0,26 €

Equipamento 21.751,98 €

Gás 425,85 €

Manutenção 2.175,20 €

Material 0,69 €

TOTAL 25.764,49 €

Tabela 6-7 – Distribuição de custos finais para o Laser, admitindo uma taxa de remoção de material de

0,035 mm3/min e uptime de 25%.

Novamente se verifica que a parcela com maior peso no custo final é o custo do uso do

equipamento. Este valor poderia diminuir de modo significativo com o aumento do uptime deste

equipamento (Figura 6-4). Relativamente ao custo total, com a presente taxa de remoção de

material, o Laser torna-se a tecnologia mais económica. De realçar que para esta análise se

compara a tecnologia Laser com uma redução significativa no tempo de maquinagem, com

resultados preliminares da MicroFresagem e MicroEDM sem alteração nos tempos de vida das

fresas/elétrodos (que fazem com que estas tecnologias se tornem bastante mais económicas).

Em termos de tempo de processo, só a Fresagem consome menos tempo, (cerca de 45 minutos)

em relação ao Laser.

Alternativa 2 6.1.2

Na Alternativa 2, em primeiro lugar procede-se à fabricação do Micromolde e

seguidamente à produção de Microinsertos através da operação PIM.

Tal como na Alternativa 1, inicialmente definiu-se o material do Micromolde. Este está

dividido em duas partes: estrutura de aço 2738 com 2,9 dm3 de volume e zona moldante com

0,8 dm3 sendo que o material constituinte é o aço 2344.

Seguidamente definem-se os inputs para cada etapa do fabrico do Micromolde. Na

Tabela 6-8 encontram-se especificadas as entradas para cada etapa no processo de fabrico do

Micromolde até à fase de Retificação.

61

CAD/CAM Galgamento Desbaste Furação Retificação

Tempo de Processo (hh:mm) 125:00 13:00 04:00 22:00 18:00

Tempo de Setup (hh:mm) - 02:00 00:10 01:40 00:20

Uptime do Equipamento 100% 90% 90% 90% 90%

Número/Taxa de Ocupação dos Operadores

1/100%

Tempo Médio de Vida da Ferramenta de Corte (h)

- 13 16 40 300

Tabela 6-8 – Inputs das operações de Maquinagem até à fase de Acabamento; Fonte: Tecnimoplás.

Concluída a Retificação procede-se ao Acabamento. Este pode ser efetuado por três

tecnologias referidas anteriormente: MicroFresagem, MicroEDM e Laser Milling. Os inputs

introduzidos no Modelo para estas tecnologias, são idênticos à Alternativa 1, estando assim

especificados na Tabela 6-2. Definiu-se que iriam ser maquinados dois elementos na zona

moldante, isto significa que por cada injeção efetuada resultam duas peças. Os valores

definidos na Tabela 6-2 são referentes à maquinagem de apenas um elemento.

Terminada a fase de Maquinagem do Micromolde, executa-se a Montagem e

posteriormente o Acabamento Superficial, que pode ser executado através de três processos.

Na Tabela 6-9 especificam-se as entradas utilizadas no Modelo para cada processo referido. A

Têmpera e o Revestimento por serem fases subcontratadas, apenas se contabiliza o custo final

destas operações estando especificado na Tabela 6-16.

Montagem EBM

Tempo de Processo (hh:mm) 07:00 00:20

Tempo de Setup (hh:mm) - 00:05

Número/Taxa de Ocupação dos Operadores

1/100% 1/100%

Uptime do Equipamento - 15%

Tabela 6-9 – Inputs das operações de Montagem e Acabamento Superficial; Fonte: Tecnimoplás e

Famolde.

Nesta fase, o fabrico do Micromolde encontra-se concluído. Procede-se assim ao fabrico

de Microinsertos através de PIM. Esta operação compreende quatro fases com inputs que

diferem entre si. Estes dados encontram-se descritos na Tabela 6-10:

62

Preparação de

Feedstock Injeção Debinding Sinterização

Tempo de ciclo (hh:mm:ss) 01:30:00 00:00:28 24:00:00 00:06:00

Tempo de Setup (hh:mm:ss) 00:10:00 00:10:00 00:10:00 00:10:00

Número/Taxa de Ocupação dos Operadores

1/100% 1/100% 1/5% 1/5%

Uptime do Equipamento 90%

Injeções por Ciclo - 2 - -

Tabela 6-10 – Inputs da operação PIM; Fonte: IPN.

Através da observação da Tabela 6-2, Tabela 6-8, Tabela 6-9, e Tabela 6-10 verifica-se

que o tempo e a mão de obra são dois fatores presentes em todas as etapas. No que toca ao

fabrico do Micromolde, na fase de Conceção e Desenvolvimento as ‘Máquinas’ utilizadas são

computadores para se efetuar o projeto do Micromolde. Os materiais apenas são contabilizados

uma vez no Galgamento, por ser um processo contínuo, onde no início do processo se tem

material bruto e no fim (uma das três etapas de acabamento) o Micromolde. O processo de

Montagem, por ser manual apenas requer operador, tempo e ferramentas, que como referido

anteriormente têm um tempo de vida muito longo, não sendo contabilizadas para este estudo.

Esta é única fase que não necessita interveniência de equipamentos. Por último, o

Bombardeamento de Eletrões apenas requer gás para o ambiente dentro da câmara.

No PIM apenas a primeira etapa inclui material. A Injeção utiliza unicamente o

equipamento e os típicos tempo e mão de obra. Finalmente, o debinding e a sinterização por

serem processos semelhantes contêm os mesmos inputs, destacando-se das outras etapas,

apenas devido ao uso de gás.

Os valores de rácio de custos para a Alternativa 2, encontram-se na Tabela 6-11.

Após se definirem todas as entradas, para o Modelo efetuar os cálculos, este devolve

diversos recursos consumidos para se chegar ao custo final/etapa. Estes valores são

apresentados na Tabela 6-12.

63

CAD/CAM Galgamento Desbaste Furação Retificação Montagem EBM Preparação

de Feedstock

Injeção Debinding Sinterização

Custo Hora-Máquina 1,15 €/h 22,29 €/h 27,24 €/h 23,52 €/h 12,38 €/h - 148,57 €/h 6,19 €/h 18,57 €/h 4,95 €/h 4,95 €/h

Custo Hora-Homem 12,60 €/h 8,40 €/h

Custo do Fluido de Corte

- 4,40 €/l 4,40 €/l 7,00 €/l 7,00 €/l - - - - - -

Custo do Gás - - - - - - 3,69 €/l - - 10 €/m3 10 €/m

3

Tabela 6-11 – Rácios de custo para a todas as etapas da Alternativa 2 exceto o Acabamento do Micromolde

CAD/CAM Galgamento Desbaste Furação Retificação Montagem EBM Preparação

de Feedstock

Injeção Debinding Sinterização

Energia Consumida

38,75 kWh 750,00 kWh 225,00 kWh

863,33 kWh 20,16 kWh - 0,02 kWh 38,67 kWh 62,86 kWh 870,00 kWh 222,00 kWh

Fluido de Corte Consumido

- 6,5 l 2,0 l 8,2 l 1,8 l - - - - - -

Gás Consumido - - - - - - 30,6 l - - 9,67 m3 2,47 m

3

Quantidade de Ferramentas

Utilizadas - 10 3 12 2 - - - - - -

Quantidade de Aço Utilizado

- 28,9 kg - - - - - - - - -

Quantidade de Pó metálico

- - - - - - - 3,3 g - - -

Quantidade de Ligante

- - - - - - - 0,3 g - - -

Tabela 6-12 – Valores relativos a consumos de energia, fluido, gás, ferramentas e materiais para a Alternativa 2, excetuando a fase de Acabamento do Micromolde.

64

Observando a Tabela 6-11 verifica-se que, como para a tecnologia Laser, o custo hora-

máquina do EBM é o mais elevado de todos os processos. Tal constatação deve-se ao facto

deste apresentar um uptime de 15% e um custo de aquisição de equipamento que ronda os

200.000 € (Ver Anexo II).

Na etapa de Conceção e Desenvolvimento foi calculado um custo hora-máquina,

baseado no custo associado ao uso de computadores e de software para se criar uma versão

CAD/CAM do Micromolde. Esta etapa apresenta também um custo hora-homem superior a todos

os outros processos visto tratar-se de mão de obra mais especializada e consequentemente

mais dispendiosa.

Em alguns processos de Maquinagem encontra-se referida a quantidade de ferramentas

utilizadas. Estes dados não referem que as ferramentas foram totalmente consumidas. Na fase

de cálculo de custos associados às ferramentas contabilizam-se os tempos médios de vida

destas, bem como o tempo de uso, chegando-se assim a um valor concreto de custo. O material

utilizado no fabrico do Micromolde é apenas contabilizado na primeira fase de Maquinagem

(Galgamento) sendo que a partir desta fase, todos os processos de fabrico do molde são

efetuados no mesmo bloco de aço.

A Têmpera e o Revestimento não são referidos nesta tabela por apenas constituírem um

custo final não tendo sido efetuados quaisquer cálculos relativos a estes processos.

Relativamente ao material utilizado na preparação do feedstock este foi calculado para

um volume de produção de 1000 Microinsertos com um desperdício de 50% de material. Para a

preparação desta mistura foi utilizada um proporção de 60% de pó metálico e 40% de ligante.

Seguidamente apresentam-se os recursos consumidos referentes às três tecnologias de

acabamento em estudo.

MicroFresagem MicroEDM Laser Milling

Energia Consumida 58,33 kWh 75,21 MWh 0,05 kWh

Fluido de Corte Consumido 2,0 l 1,0 l -

Fluido Dielétrico Consumido - 0,03 l -

Gás Consumido - - 1,04 l

Quantidade de Ferramentas Utilizadas

1 1 -

Quantidade de Elétrodos Utilizados

- 2 -

Quantidade de Cobre Utilizado

- 0,8 kg -

Tabela 6-13 – Valores relativos a consumos de energia, fluidos, gás, ferramentas, elétrodos e materiais

para as diferentes tecnologias de acabamento do Micromolde da Alternativa 2.

65

Finalmente apresentam-se os custos finais calculados por processo e por etapa. A

Tabela 6-14 refere-se aos custos envolvidos nos processos de fabrico do Micromolde, sendo

que a estes custos têm que ser adicionados o Acabamento (uma das três tecnologias em

estudo) e o Acabamento Superficial (entre um a três tipos de acabamento superficial em

estudo). Estes custos totais, consoante as escolhas efetuadas, irão ser apresentados adiante.

Nesta tabela estão também incluídos custos referentes à operação PIM da qual resultam os

Microinsertos. No Anexo III encontram-se duas tabelas onde os custos estão descriminados

consoante as tipologias de custos referidas no Capítulo 4.

Fabrico do Micromolde Total Percentagem

Material 81,71 € 1,78%

Conceção e Desenvolvimento

1.758,23 € 38,30%

Maquinagem 2.165,20 € 47,17%

Galgamento 619,80 € 13,50%

Desbaste 189,09 € 4,12%

Furação 925,83 € 20,17%

Retificação 430,48 € 9,38%

Montagem 58,80 € 1,28%

PIM Total Percentagem

Preparação de Feedstock 29,38 € 0,64%

Injeção 121,31 € 2,64%

Debinding 299,36 € 6,52%

Sinterização 76,39 € 1,66%

Tabela 6-14 – Distribuição dos custos de Fabrico do Micromolde, exceto acabamento e acabamento

superficial, e PIM, consoante as etapas de cada operação

Na Tabela 6-14 encontram-se os valores referentes aos custos finais do fabrico do

Micromolde. Como era espectável a fase de Maquinagem é a que implica maior custo (47,17%),

seguida da fase de design do Micromolde onde a mão de obra (consultar Anexo III) desempenha

um papel preponderante. De entre as etapas de maquinagem, a que acarreta maiores custos é a

que se encontra em produção por um período de tempo maior (Furação – 20,17% do custo

total). O uso do equipamento é a tipologia de custo que apresenta o maior valor seguido pela

mão de obra.

66

Relativamente ao PIM verifica-se novamente que o uso do equipamento é o parâmetro

mais dispendioso. Em termos globais o debinding é a etapa que envolve maiores custos

(6,52%), pois é o mais moroso e utiliza como auxiliar, gás com caudal constante.

Com o objetivo de se averiguar a melhor opção em termos económicos do fabrico do

Micromolde elaboraram-se a Tabela 6-15 e a Tabela 6-16 onde se encontram exemplificados os

custos de cada tecnologia de maquinagem, bem como acabamentos superficiais.

MicroFresagem MicroEDM

Laser Milling Elétrodo Erosão

Tempo Total (hh:mm) 00:50 00:50 01:10 02:10

Mão de Obra 7,00 € 7,00 € 9,80 € 18,14 €

Energia 2,92 € 1,75 € 0,50 € 0,01 €

Equipamento 29,59 € 24,47 € 42,39 € 279,67 €

Ferramentas 36,00 € 36,00 € - -

Fluido 0,23 € 0,23 € 0,13 € -

Gás - - - 2,96 €

Manutenção 2,96 € 2,45 € 4,24 € 27,97 €

Material - 8,00 € - -

Custo 78,70 € 79,90 € 57,06 €

328,74 € 136,96 €

Tabela 6-15 – Distribuição de custos consoante o tipo de maquinagem, de dois elementos, da Alternativa

2.

Tal como na Alternativa 1, a tecnologia Laser é a mais dispendiosa devido ao elevado

tempo consumido na maquinagem, bem como o elevado custo hora-máquina em comparação

com as restantes tecnologias. Em termos energéticos, como analisado anteriormente, devido à

reduzida potência do equipamento consome pouca energia, refletindo-se no custo final. Os

diferentes valores entre o fabrico do elétrodo e a fresagem devem-se ao uso de fresadoras

distintas que não apresentam potências e custo hora-máquina exatamente idênticas. Mais uma

vez se verifica que a MicroFresagem é a melhor opção tanto em termos monetários como em

consumo de tempo, apresentando valores inferiores às restantes alternativas.

67

EBM Têmpera Revestimento

Tempo Total (hh:mm) 00:45

- -

Mão de Obra 6,30 €

Energia 0,00 €

Equipamento 111,43 €

Gás 18,59 €

Manutenção 11,14 €

TOTAL 147,46 € 8,00 € 8,00 €

Tabela 6-16 – Distribuição de custos finais consoante o tipo de Acabamento Superficial da Alternativa 2.

Relativamente ao Acabamento Superficial, pode-se conjugar qualquer tipo de

Maquinagem final com EBM, Têmpera ou Revestimento consoante a durabilidade que se deseje

para o Molde (Ver Figura 5-13).

Na Tabela 6-17 apresentam-se os custos totais no fabrico de 1000 Microinsertos

utilizando a Alternativa 2. Na célula ‘Fabrico de Micromolde’ englobam -se todos os custos dos

processos envolvidos na produção do Micromolde exceto o Acabamento final. Foi apenas

incluído o custo da aplicação da tecnologia EBM, por ser a mais dispendiosa, assim avaliam-se

os custos referentes ao processo que envolve maiores custos. A última linha contém os custos

totais da produção de 1000 Microinsertos consoante a tecnologia em estudo.

Custos

Fabrico do Micromolde 4.063,94 €

PIM 526,44 €

MicroFresagem MicroEDM Laser Milling

78,70 € 136,96 € 328,74 €

Acabamento Superficial - EBM 147,46 €

TOTAIS 4.816,54 € 4.874,80 € 5.066,58 €

Tabela 6-17 – Custos totais na produção de 1000 Microinsertos consoante a tecnologia de Acabamento e

utilizando EBM como Acabamento Superficial.

68

A Figura 6-6 ilustra a influência do custo de cada tecnologia no custo final da Alternativa

2.

Figura 6-6 – Gráfico que ilustra a Influência da tecnologia utilizada no Custo Total da Alternativa 2.

As percentagens apresentadas, na Figura 6-6, correspondem à influência que cada

tecnologia apresenta no custo final da Alternativa 2, ou seja, para o caso da MicroFresagem, o

custo da utilização desta tecnologia representa 1,69% do custo total da Alternativa 2, utilizando

como Acabamento MicroFresagem. Como se pode verificar a MicroFresagem é a tecnologia que

menos peso tem no custo final, pois é a tecnologia, de entre as três, mais económica. Como o

custo da MicroEDM é semelhante ao da MicroFresagem, ambas apresentam uma contribuição

para o custo final reduzida e praticamente idêntica. Por último, como já se analisou previamente,

o Laser, apresenta custos mais elevados que as restantes tecnologias, refletindo-se numa maior

influência no custo final.

Na Alternativa 2 o acabamento do Micromolde apresenta uma reduzida influência no

custo final, sendo que as fases de design e maquinagem do Micromolde, (exceto o acabamento)

são as mais dispendiosas.

0 €

1.000 €

2.000 €

3.000 €

4.000 €

5.000 €

6.000 €

7.000 €

MicroFresagem MicroEDM Laser

Influência do Acabamento no Custo Total

AcabamentoMicromolde

Fabrico doMicromolde + PIM

1,69% 2,90% 6,68%

69

Seguidamente é efetuada uma análise, onde se variam o volume de produção e a

durabilidade, em termos de unidades de Microinsertos injetados, do Micromolde. O objetivo

desta análise não é o de comparação de tecnologias de maquinagem, mas sim, averiguar a

influência da durabilidade do Micromolde, consoante o volume de produção, no custo unitário

dos Microinsertos.

Para a obtenção dos valores de custos apresentados, apenas se efetuou a análise

utilizando como acabamento a MicroFresagem. Não se realizou para as restantes tecnologias

em causa, pois a evolução das curvas (Figura 6-7) não alteraria, apenas se deslocariam para

cima no eixo das ordenadas.

Na Figura 6-7 apresenta-se o gráfico da evolução do custo por Microinserto consoante a

variação do volume de produção, para uma durabilidade do Micromolde de 1000 Microinsertos

(curva verde) e para uma durabilidade de 5000 Microinsertos (curva azul).

Figura 6-7 – Gráfico da variação do Custo por Microinserto consoante o volume de produção para uma

durabilidade do Micromolde de 1000 Microinsertos (curva verde) e 5000 Microinsertos (curva azul), da

Alternativa 2.

Analisando em primeiro lugar a evolução do custo unitário dos Microinsertos para uma

durabilidade de 1000, através da observação da Figura 6-7, repara-se que para um volume de

produção entre 1000 e 2000 Microinsertos, existe uma ligeira subida no custo unitário pois

acrescenta-se o custo de produção do segundo Micromolde. Esse custo unitário vai diminuindo

com o aumento da produção de Microinsertos. A partir de cerca de 1500 Microinsertos, o custo

unitário destes, decresce para valores inferiores ao fabrico de 1000 Microinsertos, com um

Micromolde, pois na produção do segundo Micromolde os custos resultantes da fase de

Conceção e Desenvolvimento são nulos, visto não existir esta fase para o segundo Micromolde,

pois foi efetuada para o primeiro Micromolde.

1000; 4,58 €

1100; 6,27 €

2000; 3,5 €

2100; 5,28 €

3000; 3,73 €

3100; 4,93 €

0,0 € 0,5 € 1,0 € 1,5 € 2,0 € 2,5 € 3,0 € 3,5 € 4,0 € 4,5 € 5,0 € 5,5 € 6,0 € 6,5 € 7,0 € 7,5 € 8,0 € 8,5 € 9,0 € 9,5 €

10,0 €

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Cu

sto

po

r M

icro

inse

rto

Volume de Produção (uni)

Variação do Custo por Microinserto consoante o Volume de Produção e Durabilidade do Micromolde

1000Microinsertos

5000Microinsertos

70

A partir de volumes de produção de 2000 Microinsertos, no ponto em que se utiliza a

capacidade máxima de cada molde (volumes de produção múltiplos de 1000) assiste-se a um

aumento gradual no custo unitário dos Microinsertos (aumento de 3,5€ por Microinserto com

volume de produção de 2000 Microinsertos para 3,73€ por Microinserto com volume de

produção de 3000 Microinsertos). Isto deve-se ao facto dos custos da operação PIM

aumentarem, devido à adição de ciclos de mistura e de tratamentos térmicos (debinding e

sinterização). Para determinadas quantidades de Microinsertos, os equipamentos de preparação

de feedstock e tratamentos térmicos atingem o máximo da sua capacidade, sendo necessários

múltiplos ciclos para se suprimirem as necessidades de produção, incorrendo em custos mais

elevados.

Para uma durabilidade do Micromolde de 5000 Microinsertos (curva azul), aumentando o

volume de produção até 5000 Microinsertos (altura em que o Modelo assume automaticamente

que tem que ser fabricado outro Micromolde) o custo por Microinserto diminui gradualmente,

resultado já esperado, pois o custo total do Micromolde é dividido por mais elementos, advindo

num custo unitário menor.

Findado o estudo da dimensão económica procede-se à análise ambiental da produção

de Microinsertos consoante as duas alternativas em estudo. No subcapítulo seguinte efetua -se a

referida análise.

Análise da Dimensão Ambiental 6.2.

Nesta secção é analisado o impacto ambiental do Ciclo de Vida dos Microinsertos,

consoante as duas alternativas de fabrico. Tal como para o Modelo LCC, o Modelo para análise

da dimensão ambiental foi aplicado a um volume de produção de 1000 Microinsertos por ano.

Alternativa 1 6.2.1

Avaliando em primeiro lugar a Alternativa 1, os inputs introduzidos no Modelo, são

idênticos aos do Modelo LCC, tal com descritos na Tabela 6-2. Após a introdução das variáveis

de entrada, obtiveram-se valores de energia e recursos consumidos. Novamente, como os

inputs são idênticos ao Modelo LCC, os valores de energia e recursos consumidos também são

idênticos, sendo apresentados na Tabela 6-4. Após terem sido obtidos os valores de energia e

recursos consumidos, procede-se à associação dos impactos ambientais num indicador

ambiental.

Inicialmente apresentam-se os resultados desta agregação consoante os tipos de

recursos consumidos por tecnologia, de modo a obter-se uma melhor perceção dos impactos

que cada recurso tem no resultado final.

71

Os valores obtidos para cada recurso expressos em termos de Eco indicador são

apresentados em unidades pts (pontos) e resultam da multiplicação de valores tabelados para

cada tipologia de recurso, com a quantidade utilizada destes.

MicroFresagem Percentagem

Energia Consumida (kWh) 8.358,33 99,2%

Impacto Energia (pts) 392,84

Quantidade de Fluido de Corte (kg)

16,02 0,8%

Impacto Fluido (pts) 3,32

TOTAL (pts) 396,16

Tabela 6-18 – Agregação da Energia e Recursos Consumidos no EI’99 para o fabrico de 1000

Microinsertos utilizando MicroFresagem da Alternativa 1.

Como se pode verificar, na Tabela 6-18, encontram-se especificados, em pontos, os

valores dos impactos referentes aos consumos efetuados utilizando MicroFresagem. Facilmente

se observa que o consumo de energia representa a maior fatia no impacto ambiental produzido

no uso desta tecnologia, pois a potência do equipamento utilizado neste processo é

relativamente elevado, bem como o tempo despendido na operação de maquinagem.

No que toca aos impactos alusivos à MicroEDM, os seus valores encontram-se

especificados na Tabela 6-19. Repara-se que nesta tecnologia, a fase de Fabricação do

Elétrodo é a que maior impacto ambiental apresenta (cerca de 95% do valor total). Isto deve -se

à necessidade de produção de um elétrodo por cada Microinserto a fabricar, logo a quantidade

de Cobre a utilizar é elevada. Como este recurso apresenta um valor tabelado de impacto

ambiental elevado (ver tabela apresentada no Anexo IV), aliado a um elevado consumo, resulta

num valor elevado, representado 66,7% do impacto ambiental total desta tecnologia. A energia

consumida simboliza aproximadamente 1/3 do impacto, sendo que, novamente, a fase de

fabricação do elétrodo é a que apresenta maior dispêndio. Em relação aos fluidos utilizados,

estes representam uma parcela quase insignificante.

72

MicroEDM

Percentagem Fabricação Elétrodo

Erosão

Energia Consumida (kWh) 5.030,00 514,43 30,3%

Impacto Energia (pts) 236,41 24,18

Quantidade de Cobre (kg) 400,00 - 66,7%

Impacto Cobre (pts) 560,00

Quantidade de Fluido de Corte (kg)

16,02 - 0,6%

Impacto Fluido (pts) 3,32

Quantidade de Fluido Dielétrico (kg)

- 9,73

2,4% Impacto Fluido Dielétrico (pts)

18,67

TOTAL (pts) 799,73 42,85

842,58

Tabela 6-19 – Agregação da Energia e Recursos Consumidos no EI’99 para a MicroEDM.

Por último, para auxílio à análise da terceira tecnologia em estudo da Alternativa 1,

elaborou-se a Tabela 6-20.

Laser Milling Percentagem

Energia Consumida (kWh) 13,07 9,8%

Impacto Energia (pts) 0,61

Quantidade de CO2 (kg) 1,03

90,2% Impacto CO2 (pts) 5,64

TOTAL (pts) 6,25

Tabela 6-20 – Agregação da Energia e Recursos Consumidos no EI’99 para o Laser Milling.

Como referido anteriormente o equipamento Laser, consome bastante mais tempo no

fabrico de 1000 Microinsertos que as restantes tecnologias. Mesmo assim, este apresenta um

impacto ambiental bastante mais reduzido que as restantes tecnologias devido à reduzida

potência relativamente aos restantes equipamentos. Em termos ambientais, o Laser, é mais

penalizado devido ao uso de CO2 que representa 90% do impacto ambiental desta tecnologia.

73

Relativamente ao fim de vida dos recursos consumidos (tal como especificados na

Tabela 5-1) bem como, dos Microinsertos não são apresentados quaisquer resultados, visto que

as quantidades consumidas são bastante reduzidas, não tendo qualquer efeito no resultado final

dos impactos ambientais.

Alternativa 2 6.2.2

Findada a análise ambiental à Alternativa 1, procede-se ao estudo dos impactos

ambientais referentes à Alternativa 2. Tal como para a Alternativa 1 os inputs, Recursos e

Energia consumidos, são idênticos ao Modelo LCC e encontram-se especificados nas Tabelas

Tabela 6-8, Tabela 6-9, Tabela 6-10 e Tabela 6-12.

Em primeiro lugar apresentam-se os valores do EI’99 obtidos para o fabrico do

Micromolde, excetuando a fase de Acabamento.

Fabrico do Micromolde

Percentagem

Impacto Energia (pts) 58,48 91,7%

Impacto Material (pts) 3,18 4,9%

Impacto Fluido de Corte (pts) 2,09 3,4%

TOTAL (pts) 63,75

Tabela 6-21 – Agregação da Energia e Recursos Consumidos no EI’99 para o Fabrico do Micromolde.

No Anexo V encontram-se descritos, pormenorizadamente os consumos e os valores do

EI’99 por etapa de fabrico do Micromolde. Como se pode observar, tal como evidenciado na

Alternativa 1, a energia constitui o maior fato para o impacto ambiental. Relativamente aos

recursos consumidos, estes não têm uma expressão significativa no resultado final, visto que,

em relação ao consumo energético, apresentam valores reduzidos. Os recursos consumidos na

fase EBM (H2 e O2), não são considerados no valor total, pois o impacto destes é praticamente

nulo devido às reduzidas quantidades consumidas (Ver Anexo V).

No que respeita aos impactos ambientais associados às três tecnologias alternativas de

Acabamento do Micromolde, verifica-se que o Laser é o que menos impacto produz devido a um

baixo consumo de energia. Entre a MicroFresagem e a MicroEDM, a diferença no valor do

impacto deve-se essencialmente ao material necessário para se fabricar o elétrodo na

MicroEDM, fazendo com que esta tecnologia seja a que apresenta o maior valor do EI’99 de

entre as três tecnologias.

74

MicroFresagem MicroEDM Laser Milling

Elétrodo Erosão

Impacto Energia (mpts) 1.958,33 1.175,00 334,48 2,28

Impacto Material (mpts) - 1.120,00 - -

Impacto Fluido de Corte (mpts) 6,63 6,63 - -

Impacto Fluido Dielétrico (mpts) - - 37,34 -

Impacto CO2 (mpts) - - - 11,27

TOTAL (pts) 1,96 2,30 0,37

0,01 2,67

Tabela 6-22 – Agregação da Energia e Recursos Consumidos no EI’99 para as três tecnologias

alternativas no Acabamento do Micromolde.

Em relação à operação PIM, (Tabela 6-23 – Agregação da Energia e Recursos

Consumidos no EI’99 para a operação PIM.) mais uma vez se repara que a energia é a

categoria que maior impacto ambiental produz nesta fase (99,6%). Os materiais contabilizados

para o impacto associado ao consumo de recursos foram, os pós metálicos e ligante para o

feedstock, e a mistura hidrogénio e árgon para o ambiente no forno que efetua os tratamentos

térmicos. Como o objetivo é fabricar Microinsertos, que apresentam um volume bastante

reduzido, a quantidade de material utilizado é também reduzido.

PIM Percentagem

Impacto Energia (pts) 53,50 99,6%

Impacto Material (pts) 0,21 0,4%

TOTAL (pts) 53,71

Tabela 6-23 – Agregação da Energia e Recursos Consumidos no EI’99 para a operação PIM.

Finalmente, na Figura 6-8 – Gráfico ilustrativo da influência do Acabamento do

Micromolde no Impacto Ambiental encontra-se representado esquematicamente a influência do

impacto ambiental do Acabamento do Micromolde no fabrico dos Microinsertos, para a

Alternativa 2.

75

Figura 6-8 – Gráfico ilustrativo da influência do Acabamento do Micromolde no Impacto Ambiental; a

secção azul representa os impactos ambientais causados por todas as etapas do Fabrico do Micromolde

excepto o Acabamento; a secção encarnada representa os impactos ambientais causados por todas as

etapas da operação PIM; a secção verde representa os impactos ambientais causados pelo Acabamento

do Micromolde.

Como se pode observar as duas parcelas com maior influência são o fabrico do

Micromolde e a operação PIM, especialmente penalizados pelo consumo de energia que

apresentam.

De entre as três alternativas, a que menos prejudica o ambiente é o Laser,

essencialmente devido ao reduzido consumo de energia associado ao seu equipamento. Neste

campo, a MicroEDM é a tecnologia mais penalizada, não devido ao consumo de energia do

equipamento de erosão, mas devido ao fabrico do elétrodo, mais concretamente o material

consumido (cobre) e a energia consumida pela fresadora. Em termos globais, a influência das

tecnologias de Acabamento do Micromolde é praticamente insignificante, sendo que as parcelas

que mais contribuem para o impacto ambiental, são as fases de Fabrico de Micromolde e PIM.

Uma análise paralela a esta seria averiguar os efeitos dos impactos ambientais por fase

de Ciclo de Vida, tal como evidenciados na Tabela 5-2. Esta análise não acrescentaria

informação à apresentada, apenas a complementaria, não fazendo sentido, deste modo

apresentar uma análise consoante as diferentes fases do Ciclo de Vida. Mesmo assim, no que

respeita ao fim de vida dos recursos consumidos, apenas o material utilizado no fabrico do

Micromolde tem influência no resultado final do impacto, apresentando-se esse resultado no

Anexo V.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

MicroFresagem MicroEDM Laser

pts

Influência do Acabamento no Impacto Ambiental

AcabamentoMicromolde

PIM

Fabrico doMicromolde

1,67% 2,26% 0,06%

76

Análise Comparativa das Alternativas em termos das Dimensões 6.3.

Abordadas

Neste subcapítulo irá ser efetuada uma comparação entre as Alternativas em estudo

para o fabrico de Microinsertos consoante as duas dimensões, económica e ambiental,

estudadas.

Em primeiro lugar será efetuada uma comparação de custos das duas Alternativas em

estudo.

Para uma melhor perceção dos resultados relativamente ao custo de cada Microinserto

foi elaborada a Tabela 6-24.

Custo por

Microinserto Tempo Total

Alternativa 1 – MicroFresagem (1.A) 26,64 € 167h17

Alternativa 1 – MicroEDM (1.B) 33,47 € 251h32

Alternativa 1 – Laser Milling (1.C) 89,11 € 581h00

Alternativa 2 – MicroFresagem (2.A) 4,58 € 230h50

Alternativa 2 – MicroEDM (2.B) 4,73 € 232h10

Alternativa 2 – Laser Milling (2.C) 4,91 € 235h15

Tabela 6-24 – Custos por Microinserto consoante a Alternativa/Tecnologia utilizada, para o fabrico de

1000 Microinsertos, referentes aos cenários atuais das empresas.

Através da observação da Tabela 6-24, verifica-se que o custo por Microinserto da

Alternativa 1 é bastante superior ao da Alternativa 2. Tal constatação deve-se ao facto de que

maquinar o Microinserto diretamente de um bloco de aço consome bastante mais recursos em

termos de ferramentas e equipamento do que na Alternativa 2. Em relação à Alternativa 1.C o

excessivo tempo de maquinagem do Microinserto, aliado a um custo hora-máquina bastante

elevado faz com que esta tecnologia seja exageradamente dispendiosa. O mesmo não se

verifica na Alternativa 2.C pois, como se maquinam apenas duas cavidades o custo do Laser

relativamente ao do fabrico do Micromolde e da operação PIM é atenuado.

Posto isto, pode-se verificar, que no cenário de produção apresentado, em termos

económicos, a Alternativa que se revela menos dispendiosa é a 2 sendo que entre as

tecnologias em causa o custo por Microinserto não varia significativamente.

De seguida procede-se a uma análise ao volume de produção. O objetivo desta análise é

averiguar, o ponto para qual cada alternativa é mais rentável. Para uma melhor compreensão ,

foi elaborado o gráfico da Figura 6-9.

77

Figura 6-9 – Gráfico da variação do custo por Microinserto consoante o volume de produção para cada

uma das alternativas em estudo, utilizando como tecnologia a MicroFresagem para tempo de vida do

Micromolde de 1000 Microinsertos.

Para esta análise foram considerados os casos em que para ambas as alternativas, a

tecnologia utilizada foi a MicroFresagem. Não são apresentadas as restantes, pois os gráficos

são bastante semelhantes, deslocando as linhas para cima no eixo das ordenadas (devido a

tratarem-se de tecnologias onde estão envolvidos maiores custos).

A Alternativa 1 é apresentada na Figura 6-9 como sendo uma linha constante pois o

custo de maquinagem do Microinserto não varia. Na segunda alternativa, para volumes de

produção baixos, o custo por Microinserto é elevado, pois o custo do fabrico do Micromolde é

relativamente elevado. Os custos de cada alternativa igualam-se para a produção de 174

Microinsertos, sendo que para volumes superiores, a Alternativa 2 é a mais económica e para

volumes inferiores a Alternativa 1 é a que menos custos acarreta. Quanto mais Microinsertos se

produzirem por PIM menor irá ser o custo unitário de cada, pois o custo do Micromolde que

constitui a parcela com maior peso nesta alternativa, distribui-se por mais Microinsertos.

Seguidamente, efetua-se uma análise comparativa em termos ambientais às duas

alternativas em estudo. Para tal elaborou-se o seguinte gráfico para uma melhor compreensão

dos resultados.

0 €

10 €

20 €

30 €

40 €

50 €

60 €

70 €

80 €

90 €

100 €

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Cu

sto

po

r M

icro

inse

rto

Volume de Produção (uni)

Variação do Custo por Microinserto consoante o Volume de Produção

Alternativa 1

Alternativa 2

78

Figura 6-10 – Valores do EI’99 consoante a Alternativa para o fabrico de 1000 Microinsertos.

Como se pode verificar através da observação da Figura 6-10 – Valores do EI’99

consoante a Alternativa para a Alternativa 2, a influência de cada tecnologia de Acabamento é

insignificante, sendo que as maiores contribuições devem-se ao fabrico do Micromolde e à

operação PIM.

Relativamente à Alternativa 1, a tecnologia MicroEDM, é em termos globais, a que maior

impacto ambiental apresenta, em grande parte, devido, não à erosão, mas ao fabrico do

elétrodo. Finalmente a tecnologia Laser demonstra resultados, que em termos de impacto

ambiental são bastante reduzidos quando comparados com as restantes tecnologias. Isto deve -

se, como já foi referido, ao facto deste equipamento apresentar uma potência bastante reduzida.

Em termos globais, num cenário geral, a alternativa que acarreta menores custos é a 2,

ou seja a de obtenção de Microinsertos através da fabricação de Micromolde e consequente

operação PIM. Nesta alternativa o acabamento do Micromolde que apresenta menores custos é

a MicroFresagem. A alternativa que demonstra menores impactos ambientais é a 1, caso se

utilize Laser, pois, caso se utilize outra das restantes tecnologias, os impactos ambientais são

superiores à Alternativa 2.

Posto isto, para se obter custos menos elevados, prejudica-se o ambiente, e vice-versa,

isto é, caso se queira privilegiar o ambiente, tem que se suportar maiores custos. Obviamente,

tal constatação é valida para as condições iniciais de fabrico sem incluir as suposições/análises

de sensibilidade efetuadas ao longo do desenvolvimento desta Tese.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000

MicroFresagem

MicroEDM

Laser Milling

Pontos

Avaliação Ambiental consoante as Alternativas

Alternativa 2

Alternativa 1

79

7. Conclusões

Para o presente trabalho, foi proposto o desenvolvimento de um Modelo Integrado de

Apoio à Decisão com vista a aplicação a um Caso de Estudo específico. Os objetivos da

utilização deste tipo de Modelos prendem-se essencialmente com a análise e comparação de

diversas alternativas/tecnologias de fabrico. Para além disto, a sua versatili dade constitui um

importante fato perante cenários onde seja necessário efetuar diferentes análises de

sensibilidade para se averiguarem as melhores condições de processo.

Este Modelo integra na sua estrutura três metodologias que se enquadram numa

abordagem de Ciclo de Vida: LCC (Life Cycle Cost), LCA (Life Cycle Assessment) e MTP

(Modelo Tecnológico baseado nos Processos). A aplicação deste tipo de Modelos ao presente

Caso de Estudo permitiu a realização de análises às dimensões económica e ambiental , tendo

sempre como base uma perspetiva de Ciclo de Vida do produto e não apenas nos

custos/impactos ambientais diretos, resultantes do processo produtivo.

No Caso de Estudo abordado, foram analisadas duas alternativas de fabrico de

Microinsertos envolvendo três tecnologias diferentes (MicroFresagem, MicroEDM e Laser

Milling) de produção.

Na Alternativa 1, os Microinsertos são maquinados diretamente num bloco de aço. Nesta

alternativa, a tecnologia que menores custos envolve é a MicroFresagem, apresentando também

um menor tempo de processo, não obstante do elevado custo de aquisição das ferramentas bem

como o reduzido tempo médio de vida destas. Em relação à MicroFresagem, a MicroEDM é

mais dispendiosa devido à fase de fabricação dos elétrodos, que para além de serem

necessários bastantes, são fabricados por MicroFresagem (tecnologia que apresenta custos

elevados devido ao elevado custo e reduzido tempo médio de vida das ferramentas). A

tecnologia mais dispendiosa é o Laser, essencialmente devido ao seu elevado custo hora-

máquina que está diretamente relacionado com o elevado custo de aquisição do equipamento e

reduzido uptime relativamente às restantes duas tecnologias.

Nesta alternativa foi efetuada uma análise de sensibilidade aos tempos médios de vida

das fresas (para a MicroFresagem) e dos elétrodos (para a MicroEDM) verificando-se que com o

aumento do tempo de vida, o custo por Microinserto diminui, tendendo para uma assíntota. Por

se verificar que a tecnologia Laser não era tão competitiva como as restantes, foram efetuadas

duas análises, uma ao uptime do equipamento e outra à taxa de remoção de material. Concluiu-

se que aumentando o uptime, o custo hora-máquina diminui, incorrendo assim em menores

custos, e aumentando a taxa de remoção de material o tempo de processo diminui, verificando -

se assim uma nova diminuição do custo total.

Relativamente à Alternativa 2, os Microinsertos são obtidos por injeção de pós metálicos

num Micromolde. Nesta alternativa, o fabrico do Micromolde representa a fase que acarreta

maiores custos, onde as etapas de CAD/CAM e maquinagem são as mais dispendiosas.

No acabamento do Micromolde a tecnologia mais económica é a MicroFresagem, apesar

de não existirem elevadas discrepâncias de custos entre as três tecnologias.

80

No seguimento do estudo da Alternativa 2 foi analisada a influência da durabilidade do

Micromolde, variando o volume de produção. Concluiu-se que, aumentando a durabilidade do

Micromolde o custo por Microinserto diminuía com o aumento do volume de produção. Fixando a

durabilidade do Micromolde em 1000 Microinsertos produzidos, aumentando o volume de

produção para valores superiores a 1000, conclui-se que são necessários fabricar Micromoldes

adicionais, sendo que a partir do primeiro, os restantes Micromoldes, apresentam menores

custos, pois não se contabiliza a etapa de CAD/CAM.

Por fim, na análise da dimensão económica, conclui-se que a Alternativa 2 é a que

menores custos envolve para uma produção de 1000 Microinsertos, verificando-se que para

volumes de produção até 174 Microinsertos a Alternativa 1 é a mais económica.

No que respeita à dimensão ambiental, na Alternativa 1 a tecnologia que menores

impactos apresenta é o Laser. Na Alternativa 2 os maiores impactos ambientais são referentes à

fase de fabrico do Micromolde. Nesta alternativa o acabamento do Micromolde apresenta uma

influência reduzida, pois é um processo rápido relativamente aos restantes.

Finalmente, em termos ambientais, a tecnologia Laser da Alternativa 1 é a que

apresenta menores impactos, sendo que as restantes tecnologias ostentam impactos bastante

superiores aos da Alternativa 2. Na Alternativa 2 os impactos são semelhantes, predominando

os das fases de fabrico de Micromolde e PIM em comparação com a etapa de acabamento do

Micromolde.

Propostas para Desenvolvimentos Futuros

Para complementar o estudo realizado nesta Tese, sugerem-se, como trabalhos futuros,

os seguintes desenvolvimentos:

Com o avanço do desenvolvimento do Projeto ToolingEDGE, novos dados surgiram,

assim como valores referentes a tempos de processo, durabilidade de

ferramentas/elétrodos, etc. Introduzindo estes valores no Modelo, chegar -se-á a

resultados concretos em termos de custo e impacto ambiental, sendo possível, dessa

forma, validar o Modelo, bem como contestar os resultados das análises de

sensibilidade efetuadas.

Visto estar-se perante a aplicação da abordagem LCE, seria interessante executar um

estudo ao desempenho técnico dos Microinsertos fabricados consoante as Alternativas

em causa. Tal não foi realizado neste trabalho pois os Microinsertos ainda não se

encontram em produção nem a servir o seu propósito.

Por último, estando-se perante a aplicação de um Modelo Tecnológico com enormes

possibilidades de variações e diferentes análises, poderia ser realizado um estudo em

que a geometria do componente em causa se modificava, obtendo resultados referentes

a custos e ambiente consoante a forma escolhida.

i

Anexo I

Custo de Consumíveis

Qu – Quantidade utilizada

CU – Custo Unitário do Consumível

Custo de Mão de Obra

Custo HH – Custo Hora-Homem

Sm – Salário Mensal Bruto

Ns – Número de Salários por Ano

Cs – Custos Sociais

dano – Dias de Trabalho por Ano

hdia – Horas por Dia de Trabalho

Custo do Equipamento

( )

( )

Custo HM – Custo Hora-Máquina

CAq.Equip. – Custo de Aquisição do Equipamento

dano – Dias de Trabalho por Ano

hdia – Horas por Dia de Trabalho

i – Custo de Oportunidade

n – Tempo Médio de Vida do Equipamento

ii

Custo de Manutenção

Custo de Energia

Pot.Equip.= Potência do Equipamento

Nh – Número de Horas em Funcionamento

CUEner – Custo Unitário da Energia

Eco indicador 99

iii

Anexo II

Dados referentes às características dos equipamentos utilizados

Equipamento utilizado por Etapa

Designação Custo de

Aquisição (€) Potência

(kW)

Tempo Médio de

Vida (Anos)

Conceção e Desenvolvimento

iMac 2.000 0,31 5

Galgamento Anayak – VH 1080 180.000 50,00 8

Desbaste Huron – NX40 220.000 54,00 8

Furação Mas – VO50 185.000 30,00 8

Retificação Monoprecis – 114S 100.000 1,10 8

EBM Sodick Pikka Finish 200.000 0,05 8

Preparação Feedstock Z-Blade 50.000 23,20 8

Injeção Arburg 220 150.000 15,50 8

Debinding e Sinterização Forno Vácuo: ZTS 40.000 36,00 8

MicroFresagem Huron F2X 10Five 215.000 50,00 6

MicroEDM Agietron Compact3 220.000 6,10 6

Laser Milling Deckel-Maho 40SI 245.000 0,02 6

iv

Anexo III

Distribuição de custos finais para as fases do fabrico do Micromolde exceptuando Acabamento e Acabamento Superficial.

Fabrico do Micromolde Mão de Obra Ferramentas Equipamento Energia Outros Total Percentagem

Material - - - - - 81,71 € 1,78%

Conceção e Desenvolvimento

1.575.00 € - 37,29 € 2,71 € 143,22 € 1.758,23 € 38,30%

Maquinagem 513,80 € 84,48 € 1.226,29 € 130,10 € 210,53 € 2.165,20 € 47,17%

Galgamento 126,00 € 45,00 € 334,28 € 52,50 € 62,03 € 619,80 € 13,50%

Desbaste 35,00 € 4,70 € 113,49 € 15,75 € 20,15 € 189,09 € 4,12%

Furação 198,80 € 21,98 € 551,55 € 60,43 € 93,06 € 925,83 € 20,17%

Retificação 154,00 € 12,80 € 226,98 € 1,41 € 35,30 € 430,48 € 9,38%

Montagem 58,80 € - - - - 58,80 € 1,28%

v

Distribuição de custos finais para a operação PIM.

PIM Material Mão de Obra Equipamento Energia Outros Total Percentagem

Preparação de Feedstock 1,32 € 14,00 € 10,32 € 2,71 € 1,03 € 29,38 € 0,64%

Injeção - 34,07 € 75,32 € 4,40 € 7,53 € 121,31 € 2,64%

Debinding - 10,15 € 119,68 € 60,90 € 108,63 € 299,36 € 6,52%

Sinterização - 2,59 € 30,54 € 15,54 € 27,72 € 76,39 € 1,66%

vi

Anexo IV

Dados retirados do software SimaPro relativos aos valores do EI’99 para cada recurso

consumido e consultados em [2.27] e [2.28].

Recursos Consumidos Quantidade Unidades

Aço 110 mpts/kg

Cobre 1.400 mpts/kg

Energia 47 mpts/kWh

Fluido de Corte 207 mpts/kg

Fluido Dielétrico 1.920 mpts/kg

Gás CO2 5.454 mpts/kg

Gás H2 830 mpts/kg

Gás O2 12 mpts/kg

Gás Árgon 8 mpts/kg

Pó Metálico 212 mpts/kg

Ligante 300 mpts/kg

Reciclagem Aço -86 mpts/kg

vii

Anexo V

Consumo de Energia, Material, Fluido de Corte e Gases e valores de EI’99 para cada etapa de fabrico do Micromolde excepto Acabamento

Material do Molde CAD/CAM Galgamento Desbaste Furação Retificação EBM TOTAL

Energia Consumida (kWh) - 38,75 750,00 225,00 215,00 15,58 0,02 1.244,36

Impacto Energia (mpts) - 1.821,25 35.250,00 10.575,00 10.105,00 732,42 1,08 58.484,74

Quantidade de Material (kg) 28,95 - - - - - - 28,95

Impacto Material (mpts) 3.184,61 - - - - - - 3.184,61

Quantidade de Fluido de Corte (kg) - - 6,25 1,92 0,58 1,35 - 10,09

Impacto Fluido de Corte (mpts) - - 1.293,03 397,85 119,36 278,50 - 2.088,73

Quantidade de H2 (kg) - - - - - - 0,00 0,00

Impacto da H2 (mpts) - - - - - - 1,90 1,90

Quantidade de O2 (kg) - - - - - - 0,01 0,01

Impacto da O2 (mpts) - - - - - - 0,09 0,09

viii

Consumo de Energia, Material, Fluidos e Gases e valores de EI’99 para cada etapa do Acabamento

MicroFresagem

MicroEDM Laser Milling Elétrodo Erosão

Energia Consumida (kWh) 41,67 25,00 7,12 0,05

Impacto Energia (mpts) 1.958,33 1.175,00 334,48 2,28

Quantidade de Material - Cobre (kg) - 0,80 - -

Impacto Material (mpts) - 1.120,00 - -

Quantidade de Fluido de Corte (kg) 0,03 0,03 - -

Impacto Fluido de Corte (mpts) 6,63 6,63 - -

Quantidade de Fluido Dielétrico (kg) - - 0,02 -

Impacto Fluido Dielétrico (mpts) - - 37,34 -

Quantidade de CO2 (kg) - - - 0,00

Impacto da CO2 (mpts) - - - 11,27

TOTAL (pts) 1,96 2,30 0,37

0,01 2,67

ix

Consumo de Energia, Material e Gases e valores de EI’99 para cada etapa da operação PIM

Preparação de Feedstock Injeção Debinding Sinterização TOTAL

Energia Consumida (kWh) 38,67 13,07 864,60 222,00 1.138,34

Impacto Energia (mpts) 1.817,33 614,37 40.636,20 10.434,00 53.501,90

Quantidade de Pó Metálico (kg) 0,00 - - - 0,00

Impacto Pó Metálico (mpts) 3,64 - - - 3,64

Quantidade de Ligante (kg) 0,00 - - - 0,00

Impacto Ligante (mpts) 0,01 - - - 0,01

Quantidade de H2 (kg) - - 0,04 0,01 0,05

Impacto da H2 (mpts) - - 35,84 9,20 45,04

Quantidade de Árgon (kg) - - 16,28 4,18 20,46

Impacto da Árgon (mpts) - - 126,99 32,61 159,60

Valor do EI’99 para a reciclagem do Micromolde

Quantidade de Material (kg) 28,95

Impacto Reciclagem do Material (pts) -2,49