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CENTRO UNIVERSITÁRIO DO INSTITUTO MAUÁ DE TECNOLOGIA Apresentação Engenharia Dimensional Aplicada na Engenharia Automotiva São Caetano do Sul 2012

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DO INSTITUTO MAUÁ DE TECNOLOGIA

Apresentação Engenharia Dimensional Aplicada na Engenharia Automotiva

São Caetano do Sul

2012

ROBSON APARECIDO DE OLIVEIRA

Apresentação da Engenharia Dimensional Aplicada na Engenharia Automotiva

Monografia apresentada ao curso de Pós-

Graduação em Engenharia Automotiva da

Escola de Engenharia Mauá do Centro

Universitário do Instituto Mauá de Tecnologia

para obtenção do título de Especialista.

Orientador: Prof. Mauro Andreassa

São Caetano do Sul

2012

de Oliveira , Robson Aparecido

Apresentação da Engenharia Dimensional aplicado na Engenharia Automotiva

34p.

Monografia — Pós Graduação em Engenharia Automotiva, Centro Universitário Mauá de Tecnologia, São Caetano do Sul, SP, 2012

Orientador: Prof. Dr. Mauro C. Andreassa

1. Engenharia Dimensional 2. Desenvolvimento do Produto 3. Projeto

Automotivo I. Centro de Educação Continuada do Instituto Mauá de Tecnologia II. Título.

DEDICATÓRIA

A minha esposa e filha, que sempre me apoiaram em toda a minha jornada

acadêmica.

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador Mauro Andreassa, que dedicou seu tempo na direção e

revisão deste trabalho.

RESUMO

O mercado Automotivo nacional com o passar dos anos e a chegada de

novas montadoras em nosso país forçaram as chamadas “QUATRO GRANDES” a

serem mais competitivas no mercado automobilístico, oferendo automóveis com

maior qualidade e alinhadas com os padrões globais.

Neste estudo será mostrado o que é feito durante a fase de desenvolvimento

de um veículo conciliando os anseios do departamento de design traduzindo-os em

requisitos e engenharia com foco em Engenharia Dimensional.

Hoje em dia, com a globalização, o ramo automobilístico teve que aprender

com a desmistificação de projetos para um determinado país, ou seja, o

departamento de engenharia do Brasil, por exemplo, pode ser designado para

desenvolver um veículo para o mercado europeu, oriental ou até para o mercado

norte-americano. Para isso, há a necessidade do departamento de engenharia ter os

recursos e conhecimento necessários para que o projeto seja executado de maneira

a atender todas as expectativas do cliente, que neste caso, a região a qual o projeto

se destina.

Este trabalho apresentará conceitos e ferramentas de simulação matemática,

estatística, processos de manufatura e especificação de produtos através de

tolerância geométrica.

Palavras-chave: Simulação Matemática, estatística, processos de

manufatura, tolerância geométrica, sensitividade.

ABSTRACT

The national automotive market, throw the years and the arrival of new

competitors in our country forced the called “BIG FOUR” become more competitive,

providing higher quality vehicles and in accordance with the Global Requirements.

This study will provide a complete description tha what is done during the

development phase merging the deisgn department feelings translating then to

engineering requirementsnfocusing in dimensional engineering.

Nowadays, with globalization, the automotive area had to lean with the

demystification of a project for a specific country, in other words, the engineering

department located in Brazil, i.e, can be designated to develop a vehicle to a

european market, oriental or even north american. To make it possible, the

engineering department need to have the resources and the knowledge to execute

the project in order to achieve the clients expectations, that is in this case, the region

that the project is destinated.

This study will show concepts and mathematical simulation tools, statistics,

manufacturing process and product specifications trought geometrical dimensioning

and tolerancing.

Keywords: Math Simulation, statistics, manufacturing process, geometrical

tolerancing, sensitivity.

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Modelo de apresentação do software 3DCS ............................................. 13

Figura 2 - Tolerância Cartesiana versus Tolerância Circular..................................... 18

Figura 3 - Exemplo de Tolerância pelo Método Cartesiano ...................................... 19

Figura 4 - Exemplo de Tolerância por GD&T ............................................................ 19

Figura 5 - Simbologia das Tolerâncias Geométricas ................................................. 20

Figura 6 - Modificadores ............................................................................................ 21

Figura 7 - Dispositivo de Controle – Conjunto Parachoque ....................................... 22

Figura 8 - Exemplo de Especificação ETD ................................................................ 23

Figura 9 - Análise de Interface .................................................................................. 23

Figura 10 - Tolerância versus Custo ......................................................................... 24

Figura 11 - Especificação Dimensional de um Capô ................................................. 25

Figura 12 - Dispositivo de Montagem Para Instalação de Capô................................ 26

Figura 13 - Dispositivo de Montagem para Sub-Conjuntos ....................................... 27

Figura 14 - Definição dos Pontos de Medição ........................................................... 28

Figura 15 - Resultado de variação de um ponto simulado ........................................ 29

Figura 16 - Análise de Sensitividade ......................................................................... 29

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO .................................................................................. 10

2 ENGENHARIA DIMENSIONAL ......................................................... 11

2.1 DEFINIÇÃO DO TEMA ............................................................................. 11

3 MÉTODO ........................................................................................... 13

3.1 MODELO COMPUTACIONAL .................................................................. 13

3.1.1 SIMULAÇÃO DE MONTE CARLO ........................................................ 14

3.1.1.1 PROCESSOS ESTOCÁSTICOS ......................................................... 14

3.2 ÍNDICES DE CAPACIDADE Cp e Cpk .................................................... 15

3.3 MANUFATURA ......................................................................................... 16

3.4 DIMENSIONING AND TOLERANCING .................................................... 17

3.5 APLICAÇÃO DA ENGENHARIA DIMENSIONAL NA ENGENHARIA

AUTOMOTIVA ................................................................................................. 22

3.5.1 ETD – ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DIMENSIONAL ............................ 22

3.5.2 ESPECIFICAÇÃO DE PRODUTO ......................................................... 24

3.5.3 DISPOSITIVOS DE MONTAGEM .......................................................... 25

3.5.4 ANÁLISE DIMENSIONAL ...................................................................... 27

4 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS .......................................... 28

5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ............................................ 30

6 REFERÊNCIAS ................................................................................. 31

LISTA DE ACRÔNIMOS

DFSS – Design for six sigma

CAD – Computer aided design

CAE – Computer aided engineering

GD&T – Geometrical dimensioning and tolerancing

FMEA – Failure mode and effect analysis

PFMEA – Process failure mode and effect analysis

APQP – Advance product quality planning

MSA – Measurement systems analysis

DFA – Design for assembly

DFM – Design for manufacturing

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1 INTRODUÇÃO

O mercado automotivo, ao longo dos tempos vem se globalizando. Hoje é

comum projetos serem executados para vários mercados. Com esta globalização

nunca se deu tanto foco a qualidade percebida. Hoje em dia, pequenos detalhes

fazem a diferença e podem ser o ponto de decisão de compra entre um modelo ou

outro.

Por este motivo, as montadoras vem investindo em programas de

treinamento, melhoria nos processos de fabricação e montagem, rigor nos

indicadores de qualidade , maior parceria com fornecedores e com foco no sucesso

do produto, clínicas junto ao consumidor final para definição de um determinado

tema, etc.

O departamento de design, cada vez mais utiliza uma ferramenta chamada

“BENCHMARKING” para a definição de um determinado produto, qual o público ao

qual se destina, quais os apelos que o veículo terá para o consumidor final.

Este trabalho focará nas folgas e desníveis (GAP & FLUSH) que estão

relacionados ao acabamento final do veículo, qual a contribuição da engenharia,

para que cada vez os ajustes fiquem mais precisos e constantes aos olhos do

consumidor final.

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2 ENGENHARIA DIMENSIONAL

Uma das funções do departamento de engenharia é viabilizar em termos

técnicos os anseios do departamento de design. Deve-se tornar o projeto viável,

aplicando os critérios necessários para que cada sistema funcione corretamente.

Para isso a engenharia tem que ter um bom corpo técnico, ter as ferramentas

necessárias para a geração de modelos computacionais, ter conhecimento sobre

processos de manufatura, sejam eles de fabricação ou de montagem para um

determinado sistema.

Uma das áreas da engenharia, é a Engenharia Dimensional, que tem como

função atuar no desenvolvimento do produto, provendo especificações dimensionais

do produto final, especificando de maneira correta os sistemas e sub-sistemas que

compõem o veículo e também informações necessárias em relação as diversas

variações dimensionais existentes no veículo.

A Engenharia Dimensional une conceitos de engenharia aplicada como

DFSS, CAD, CAE, GD&T aliadas com ferramentas de qualidade como

ESTATÍSTICA, FMEA, PFMEA, APQP, MSA.

Este estudo apresentará as fases do desenvolvimento, desde os conceitos de

design, aplicação dos critérios e chegando na validação do projeto.

2.1 DEFINIÇÃO DO TEMA

Atualmente o mercado automotivo apresenta diversas opções de veículos,

desde os mais populares, até os mais sofisticados.

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Cabe ao departamento de marketing identificar quais são os anseios dos

consumidores e o que eles esperam de um determinado veículo, de diversos

segmentos.

Para isso, são identificados potenciais consumidores para o determinado

segmento que o veículo de destina, como idade, posição socio-econômica, ramo de

atividade, etc.

Nas clínicas são propostas algumas opções de desenho, para que o

consumidor escolha qual é o que melhor o agrada. Os dados provenientes dos

consumidores são chamados em vozes dos clientes. Tudo é capturado e estudado

de maneira extremamente criteriosa.

Uma vez determinado o tema, iniciam-se diversas discussões entre o

departamento de design e o departamento de engenharia avançada. É nesta fase

onde os primeiros requisitos de engenharia são discutidos, são executados estudos

de packaging, qual é o conteúdo do veículo, peças de uso comum que serão

utilizadas e como o tema será viabilizado da melhor maneira, procurando sempre

manter a idéia original do tema.

Nesta fase, a engenharia dimensional começa a atuar de maneira direta, na

definição de todos os requisitos dimensionais, como por exemplo, folgas entre

portas, tampa traseira e painéis, parachoques, etc.

Para esta definição, vários estudos são realizados com os competidores,

identificando o melhor valor e melhor conceito para cada interface.

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3 MÉTODO

3.1 MODELO COMPUTACIONAL

A engenharia conta com diversas ferramentas computacionais para diversos tipos de

simulação, no caso da engenharia dimensional não é diferente, programas como o 3DCS,

VIS VSA são comumente utilizados no auxílio de desenvolvimento de projetos, gerando

resultados bastante satisfatórios na previsão de variações existentes no sistema.

Figura 1 - Modelo de apresentação do software 3DCS

Fonte: 3DCS (2012)

Uma das técnicas de avaliação é a Simulação de Monte Carlo, que

relaciona as tolerâncias pela sua ordem de importância e identifica as principais

responsáveis pela qualidade do produto. Esta informação é muito importante porque

coloca em evidência os processos mais sensíveis e serve de base para elaborar o

plano de qualidade do produto final. No modelo, são informados as tolerâncias dos

produtos, o processo de montagem, se é com o auxílio de dispositivo ou a

montagem é através de localizadores ou por forma.

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As tolerâncias podem ser previamente definidas, ou um valor é assumido para

que uma otimização seja executada pelo próprio engenheiro dimensional.

Todos os resultados provenientes da simulação dimensional levam em

consideração um processo estável e capaz, ou seja, índices de Cp e Cpk são

assumidos, geralmente o valor mínimo utilizado é Cp e Cpk =1.

3.1.1 SIMULAÇÃO DE MONTE CARLO

O método de Monte Carlo é um método estatístico utilizado em simulações

estocásticas com diversas aplicações, inclusive na engenharia. O método de Monte

Carlo tem sido utilizado há bastante tempo como forma de obter aproximações

numéricas de funções complexas. Este método tipicamente envolve a geração de

observações de alguma distribuição de probabilidades e o uso da amostra obtida

para aproximar a função de interesse. As aplicações mais comuns são em

computação numérica para a avaliação de integrais. A idéia do método é escrever a

integral que se deseja calcular o valor esperado.

3.1.1.1 PROCESSOS ESTOCÁSTICOS

Um processo estocástico é uma família de variáveis aleatórias indexadas por

elementos t pertencentes a determinado intervalo temporal. Intuitivamente, se é uma

variável aleatória é um número real que varia aleatoriamente, um processo

estocástico é uma função que varia aleatoriamente.

De forma simplificada, podemos dizer que processos estocásticos são

processos aleatórios que dependem do tempo.

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3.2 ÍNDICES DE CAPACIDADE Cp e Cpk

Cp – Índice de capacidade que mede a dispersão do processo

Índice mais simples, considerando como a taxa de tolerância a variação do processo e

desconsidera a centralização do processo;

Não é sensível aos deslocamentos (causas especiais) dos dados;

Quanto maior o índice, menos provável que o processo esteja fora das especificações;

Um processo com uma curva estreita, ou seja, um Cp elevado pode não estar de

acordo com as necessidades do cliente se não for centrado dentro das especificações.

Conforme equação (1).

Cp= LSE – LIE)

6 σ (1)

Onde,

LSE - Limite superior de engenharia

LIE - Limite Inferior de engenharia

σ - Desvio Padrão

Cpk – Índice de capacidade que mede a centralização do processo

Cpk é o ajuste do índice Cp para uma distribuição não-centrada entre os

limites de especificação;

É sensível aos deslocamentos (causas especiais) dos dados

A fórmula do índice é indicada conforme equação (2).

Cpk = MIN LSE- X , LIE – X

3 σ 3 σ (2)

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3.3 MANUFATURA

Para o desenvolvimento de um determinado sistema é de extrema

importância a participação do departamento de manufatura, pois as informações

passadas em relação aos processos de fabricação e montagem são dados que

juntamente com as tolerâncias, definem se uma determinada interface é possível ou

não de ser executada.

Para isso, temos duas ferramentas importantes para o desenvolvimento, o

Design for Manufacturing (DFM) e o Design for Assembly (DFA).

DFM/DFA é uma integração das técnicas Projeto para a Fabricação (DFM) e

Projeto para a Montagem (DFA).

DFA – É uma filosofia que se utiliza de diversos conceitos, técnicas, ferramentas e

métodos para aperfeiçoar a fabricação de componentes ou simplificar a montagem

de produtos, utilizando para tal desde a análise de valores de tolerâncias, a

complexidade do produto, número mínimo de componentes necessários, layout do

produto dentre outros. O DFA tem por objetivo tornar a montagem do produto o

menos custosa e mais otimizada possível.

DFM - Traduz a busca durante o projeto, em tornar mais fácil a manufatura dos

componentes que formarão o produto depois de montado. É uma abordagem que

enfatiza aspectos da manufatura, tais como estamparia, forjamento, injeção e outros

processos voltados à conformação mecânica e a usinagem. Existe uma vasta

bibliografia que aborda o assunto dentro dos ambientes acadêmicos, sobretudo nas

escolas técnicas de base, onde a aplicação de conceitos que reduzam os custos

com a utilização de equipamentos é um fator crucial às empresas. Contudo, essa

técnica visa a efetiva influência do conhecimento das características de

processamento sobre o desenvolvimento do produto, tais como:

• Ângulos de saída de ferramentas;

• Raios e cantos vivos;

• Usinabilidade e custos das opções de materiais disponíveis;

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• Acabamentos e outras características ligadas aos aspectos de

construção, usualmente através de dispositivos ou ferramentas

automatizadas.

3.4 DIMENSIONING AND TOLERANCING

O criador do GD&T foi Stanley Parker, engenheiro inglês da fábrica de

torpedos da marinha britânica, localizada na cidade de Alexandria, Escócia. Nessa

época, 1940, acreditava-se que o erro era inevitável. Tudo que era produzido, não

importava o quê, continha um percentual de peças ruins. O modelo industrial da

época tinha obrigatoriamente duas etapas: fabricar e inspecionar, para retirar as

peça ruins do lote produzido.

Stanley Parker, pressionado pelo esforço de guerra, provocou uma grande

controvérsia ao realizar uma experiência inédita. Montou produtos que funcionaram

bem utilizando peças reprovadas na inspeção. Ele constatou que a característica

crítica na montagem dos produtos é o afastamento em relação ao centro (true

position), portanto o campo de tolerância deve ser circular e não quadrado. O

sistema cartesiano utiliza campos de tolerância quadrados e reprova as peças boas.

Stanley Parker concluiu que as peças reprovadas, na verdade, eram peças boas. O

que estava errado era o conceito de peça ruim. Assim nasceu o GD&T, que utiliza

campos de tolerâncias cilíndricos. Esta foi a primeira alteração sofrida pelo sistema

cartesiano, 300 anos após a sua criação.

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Figura 2 - Tolerância Cartesiana versus Tolerância Circular

Fonte: Autor

Segundo MCCORD (2007) o GD&T é uma linguagem de engenharia

reconhecida internacionalmente, desenvolvida para que os projetistas e engenheiros

“digam exatamente o que querem dizer” nos desenhos de engenharia. Os conceitos,

símbolos e estrutura matemática fornecem de modo preciso e lógico a comunicação

dos limites de tolerância de manufatura para uma ou mais características que

definem os requisitos de desempenho e a intenção de desenho funcional.

Atualmente, a globalização e os avanços na tecnologia tem feito a atividade

de dimensionamento e toleranciamento mais complexos e especializados. A

habilidade e precisão na comunicação dos requisitos funcionais é fundamental para

a qualidade e confiança do produto final.

Antes da invenção da linguagem GD&T, dimensões diretas relacionadas a

uma determinada coordenada do veículo e notas eram frequentemente utilizadas

para definir o requisito da peça.

19

Até então, a informação mostrada no desenho era confusa, incompleta ou

ambígua. Relações funcionais das características não eram claras e a pessoa que

avaliavam o desenho tinha que ter a ajuda da intuição.

Figura 3 - Exemplo de Tolerância pelo Método Cartesiano

Fonte: Forma 3D, 2012

Figura 4 - Exemplo de Tolerância por GD&T

Fonte: Forma 3D, 2012

20

Dentre algumas normas de GD&T podemos citar:

ASME Y14.5 2009;

ISO 1101 – GPS – GEOMETRIC PRODUCT SPECIFICATIONS

A vantagem da norma ASME em relação a ISO é que todo o conteúdo

(definições, conceitos) estão em apenas em um documento. A norma ISO possui

diversos documentos, as vezes um para cada tipo de tolerância.

Figura 5 - Simbologia das Tolerâncias Geométricas

FONTE: ASME Y14.5 2009

21

Figura 6 - Modificadores

FONTE: ASME Y14.5 2009

22

Uma das vantagens do GD&T é que as características podem ser controladas por dispositivos funcionais, facilitando o controle das peças na linha de produção. Como na indústria automotiva temos peças que são na sua maioria peças com superfícies complexas, os dispositivos são a maneira mais rápida e mais barata para auxiliar na qualidade das peças.

Figura 7 - Dispositivo de Controle – Conjunto Parachoque

Fonte: Measure Control Blog, 2010

3.5 APLICAÇÃO DA ENGENHARIA DIMENSIONAL NA ENGENHARIA

AUTOMOTIVA

3.5.1 ETD – ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DIMENSIONAL

É aquele definido pelo mercado, como os fabricantes de veículos especificam

as folgas e níveis entre as peças, geralmente relacionados ao aspecto visual do

veículo, definido pelo departamento de design juntamente com o departamento de

engenharia.

23

Figura 8 - Exemplo de Especificação ETD

Fonte: General Motors Corporation, 2011

Este requisito pode ter como base os competidores, onde são catalogados

diversos veículos de cada marca, são estudados quais são os melhores veículos

para uma dada interface, quais são os requisitos e o que precisamos ter para

atendermos tais requisitos. Cabe a Engenharia Dimensional desevenvolver esta

especificação.

Figura 9 - Análise de Interface

Fonte: General Motors Corporation, 2011

24

3.5.2 ESPECIFICAÇÃO DE PRODUTO

A especificação dimensional do produto na engenharia automotiva é de

extrema importância, pois é através dela que são elaborados os custos relacionados

a sua fabricação, os custos relacionados aos dispositivos de controle, ou se um

determinado fornecedor é capaz de produzir ou não uma peça.

Uma má especificação pode gerar retrabalhos, mal funcionamento do

sistema, dispositivos funcionais sem função.

Figura 10 - Tolerância versus Custo

Fonte: Mccord, 2007

Todo engenheiro, independente do sistema de especificação, deve conhecer

os requisitos dimensionais do seu sistema.

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Figura 11 - Especificação Dimensional de um Capô

Fonte: ASME Y14.5, 2009

3.5.3 DISPOSITIVOS DE MONTAGEM

São os dispositivos utilizados para a montagem de um determinado sistema

visando facilitar o processo na linha e garantir o maior controle e repetibilidade do

sistema dentro dos limites pré-definidos na fase de projeto.

A validação do dispostivo de montagem é divida em quatro fases:

1 – Validação Dimensional dos localizadores, esta validação é feita pelo fornecedor

do dispositivo;

2 – Após a instalação do dispositivo na célula (planta), o mesmo é recertificado;

3 – Há uma atividade de avaliação dimensional das peças montadas no dispositivo;

4 – Se avalia a repetibilidade do dispositivo.

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Hoje em dia, com foco em segurança e ergonomia dos operadores em uma

linha de montagem se faz necessário a aplicações de boas práticas para garantir a

eficiência de um dispositivo. Dentre essas boas práticas podemos citar:

• O dispositivo deve ser funcional, dispositivos mal projetados tendem a ser

deixados de lado no dia a dia;

• Fácil operação na linha de montagem;

• O dispositivo, dependendo da sua aplicação, deve ser leve, pois em alguns

casos apenas haverá um operador por operação.

• O dispositivo deve reter a peça a ser montada de forma que ela fique bem

indexada.

Figura 12 - Dispositivo de Montagem Para Instalação de Capô

Fonte: General Motors Corporation, 2010

27

Figura 13 - Dispositivo de Montagem para Sub-Conjuntos

Fonte: Taylor Design Engineering Ltd, 20

3.5.4 ANÁLISE DIMENSIONAL

Uma vez definidos os requisitos dimensionais do produto, os sistemas de

localização empregados e as tolerâncias de cada sistema, os dados são inseridos

no programa. Pontos de medições são definidos, de acordo com a rotina de medição

definida juntamente com o departamento de qualidade, pontos estes localizados

onde impactam diretamente ao consumidor final. Dependendo da interface, por

exemplo um farol, é de extrema importância que os pontos medidos no veículo

sejam os mesmos medidos na peça individual.

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Figura 14 - Definição dos Pontos de Medição

Fonte: Autor

O propósito da simulação é medir e analizar a variação no modelo. Durante a

simulação, variações aleatórias são aplicadas ao modelo dentro das combinações

de tolerâncias possíveis, sistemas de localização, flutuação entre os localizadores,

dispositivos de montagem, geometria. Este processo é repetido pelo usuário quantas

vezes necessárias.

4 APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS

Uma das melhores maneiras de avaliação de um estudo dimensional, é o

resultado por sensitividade, este resultado ordena por ordem de importância os

contribuidores para uma determinada interface. No resultado, podemos avaliar quais

serão os índices de capacidade que serão conseguidos na planta, e se o que foi

projetado, realmente é viável.

29

Figura 15 - Resultado de variação de um ponto simulado

Fonte: 3DCS SOFTWARE

Figura 16 - Análise de Sensitividade

Fonte: 3DCS SOFTWARE

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5 CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES

A engenharia dimensional no Brasil ainda não é muito difundida, seja nas

escolas, ou em diversos ramos da indústria. Este trabalho tem como objetivo

incentivar a curiosidade para o tema, uma vez que a indústria automotiva e

aeronáutica nacional estão investindo cada vez em recurso e especialização de mão

obra. Não se fabrica o que não se entende, por isso o conhecimento em ferramentas

de qualidade aliados ao desenvolvimento de produto é uma vantagem que não

podemos simplesmente ignorar dos dias atuais.

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6 REFERÊNCIAS

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Tolerancing (GD&T) e Simulação Monte Carlo. Disponível em 13 de março de

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<http://www.forma3d.com.br/downloads/Simulacao%20Tolerancias.pdf>. Acessado

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Acessado em 14 de julho de 2012.

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