PROJETO DE PÊNDULO DE NEWTON POR MEIO DAS FERRAMENTAS QFD...

PROJETO DE PÊNDULO DE NEWTON

POR MEIO DAS FERRAMENTAS QFD E

FMEA .

Adriano Pellegrini Pereira (UNIFEI )

[email protected]

Carlos Henrique Pereira Mello (UNIFEI )

[email protected]

O pêndulo de Newton é um produto amplamente utilizado em

laboratórios de física, onde se torna possível observar na prática

conceitos teóricos. O objetivo deste trabalho é projetar um pêndulo de

Newton eficaz, otimizando a escolha dos materriais e dimensões do

produto, por meio das técnicas de desdobramento da função qualidade

(QFD) e análise dos modos e efeitos das falhas (FMEA). Com os

resultados obtidos através destas ferramentas, serão priorizados os

principais componentes, procedimentos e possíveis modos de falhas,

buscando um maior controle dos mesmos para uma próxima etapa de

desenvolvimento deste produto, para poder atender aos requisitos

estipulados pelos clientes.

Palavras-chave: Desenvolvimento de produto, QFD, FMEA

XXXVI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCÃO Contribuições da Engenharia de Produção para Melhores Práticas de Gestão e Modernização do Brasil

João Pessoa/PB, Brasil, de 03 a 06 de outubro de 2016.


João_Pessoa/PB, Brasil, de 03 a 06 de outubro de 2016. .

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1. Introdução

O Processo de Desenvolvimento de Produtos (PDP) refere-se aos passos, atividades, tarefas,

estágios e decisões que envolvem o projeto de desenvolvimento de um novo produto ou

serviço, ou a melhoria em um já existente, desde a ideia inicial até descontinuação do produto,

com a finalidade de sistematizar esse processo. No PDP se identificam os desejos dos clientes,

traduzidos em especificações a serem desenvolvidas para gerar soluções técnicas e

comerciais. Tudo isso atrelado à estratégia, às restrições, às possibilidades operacionais da

empresa e às necessidades dos clientes (BACK, 1983; VINCENT, 1989; CLARK e

FUJIMOTO, 1991; ROSENTHAL, 1992; COOPER e EDGETT, 1999).

O PDP consiste num conjunto de atividades por meio das quais se busca, a partir das

necessidades do mercado e das possibilidades e restrições tecnológicas e considerando as

estratégias competitivas e de produto da empresa, chegar às especificações de projeto de um

produto e de seu processo de produção, para que a manufatura seja capaz de produzi-lo

(ROZENFELD, 2006).

Um dos produtos mais comuns utilizados no ensino de física e mecânica em Engenharia é o

pêndulo de Newton, por ser um dispositivo que pode ser utilizado em sala de aula no ensino

da conservação da quantidade de movimento e da energia mecânica nas colisões. O nome

dado a esse experimento é uma homenagem ao físico Isaac Newton, que foi quem o propôs

para fazer a análise de vários princípios da Mecânica.

Este presente trabalho tem como objetivo desenvolver um protótipo funcional de pêndulo de

Newton, otimizado, eficaz e com foco na voz do cliente, para finalidades acadêmicas em

cursos de engenharia, por meio de análises baseadas nas técnicas QFD e FMEA.

A motivação para projetar um pêndulo de Newton através das ferramentas do PDP surgiu da

observação de um baixo número de dispositivos para ensaios em sala de aula para alunos de

engenharia e física.

2. Fundamentação teórica

Embora muitas empresas saibam da importância do PDP no desenvolvimento dos negócios a

um longo prazo, por maior que seja o esforço da direção para melhoria do PDP, ainda assim a

taxa de falhas dos novos produtos é elevada. Existem várias razões para estas elevadas taxas



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de falhas, sendo que uma das mais significativas é a baixa utilização de modelos, ferramentas

e técnicas para auxiliar o PDP (NIJSSEN e FRAMBACH, 2000; GONZÁLEZ e PALÁCIOS,

2002; YEH, PAI e YANG, 2010; CHANDRA e NEELANKAVIL, 2008).

O PDP consiste num conjunto de atividades por meio das quais se busca, a partir das

necessidades do mercado e das possibilidades e restrições tecnológicas e considerando as

estratégias competitivas e de produto da empresa, chegar às especificações de projeto de um

produto e de seu processo de produção, para que a manufatura seja capaz de produzi-lo

(ROZENFELD, 2006).

As próximas seções deste trabalho descrevem sobre as técnicas de PDP consideradas

essenciais para a proposta de desenvolvimento de um pêndulo de Newton com foco no

cliente, o FMEA e o QFD.

2.1. FMEA – Failure mode and effects analysis

O método FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) foi desenvolvido com o intuito de

auxiliar no diagnóstico e previsão de falhas de equipamentos. Ele é um método analítico

padronizado para detectar e eliminar problemas potenciais de forma sistemática e completa

(HELMAN e ANDERY, 1995). Além disso, é uma ferramenta que utiliza o conhecimento dos

membros do PDP sobre problemas de qualidade e desempenho do produto advindos do seu

projeto ou processo de produção. O FMEA permite a hierarquização das causas dos

problemas e estabelece parâmetros para a adoção de medidas preventivas ou corretivas

(FERRARI, MARTINS e TOLEDO, 2001). Outra definição é apresentada por Sakurada

(2001) segundo o qual o FMEA "é um método qualitativo que estuda os possíveis modos de

falha dos componentes, sistemas, projetos e processos e os respectivos efeitos gerados por

esses modos de falha".

De acordo com Aguiar, Salomon e Mello (2015), o FMEA deve ser usado para realizar a

avaliação de risco para entender quais os impactos sobre o cliente, se o processo ou projeto

pudesse falhar. A equipe encarregada por aplicar o FMEA deve analisar qualquer ação para

minimizar os riscos de processo/projeto e orientar as atividades de melhoria. O FMEA é

conhecido como um documento vivo que deve ser revisto e atualizado sempre que os

procedimentos forem alterados, exigindo a sua consulta e modificação nos casos em que o



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processo/projeto tem qualquer problema de qualidade/especificação, a fim de garantir que

todas as ações possíveis para evitar a repetição no futuro sejam implementadas.

Por causa do seu caráter preditivo, o FMEA passou a ser utilizado na fase de projeto de

produtos. Isto porque ao aplicar um FMEA durante o projeto pode-se prever os pontos críticos

do mesmo fazendo com que a equipe, por meio de análises de modos de falha e efeitos defina

ações corretivas durante o projeto, prioridades no dimensionamento e seleção de materiais de

cada componente.

A Figura 1 ilustra as informações de um formulário FMEA em uma visão estrutural.

Figura 1 – Visão estrutural das informações do FMEA

Fonte: Rozenfeld et al., (2006)

2.3. QFD – Quality function deployment

Akao (1988) define o QFD (Quality Function Deployment) como uma metodologia de

conversão das demandas dos consumidores em características da qualidade, desenvolvendo

uma qualidade de projeto para o produto acabado pelos relacionamentos desdobrados

sistematicamente entre as demandas e as características, começando com a qualidade de cada

componente funcional e estendendo o desdobramento para a qualidade de cada parte e



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processo. Assim, a qualidade do produto como um todo será gerada através de uma rede de

relacionamentos.

O QFD é um dos métodos que as empresas têm buscado introduzir para dar suporte ao

desenvolvimento de novos produtos. O método tem por objetivo integrar as necessidades dos

clientes em todo o ciclo de desenvolvimento de um novo produto. O QFD converte as

exigências dos usuários em características da qualidade (especificações) e as transfere para as

etapas subsequentes de desenvolvimento de produto, por meio de desdobramentos sucessivos

(FORMAGGIO e MIGUEL, 2009).

Segundo Loos e Miguel (2014), na sua forma tradicional, o QFD pode ser apresentado

contemplando quatro matrizes formadas por: (i) matriz da qualidade; (ii) matriz do produto

(em referência a bens de consumo); (iii) matriz de processos; e (iv) matriz de recursos. Assim,

o uso do QFD fornece o suporte para as equipes de desenvolvimento de produtos. Isto se deve

ao fato de que essas quatro matrizes relacionam a demanda do consumidor com as

especificações de engenharia, possibilitando o projeto dos componentes do produto e a

definição das especificações das variáveis dos processos de produção.

Cheng (2007) descreve que a busca pela qualidade total se inicia com a concepção do projeto,

segue com a aproximação entre a Qualidade Exigida dos clientes e a Qualidade do Produto e

Serviço recebido, passando pela Qualidade de Especificações e Qualidade de Fabricação do

Produto.

2.4. Pêndulo de Newton

No experimento com este dispositivo, uma ou mais esferas são deslocadas de sua posição de

repouso e soltas. Devido à força gravitacional as esferas em questão aceleram de maneira a

chocar-se com as outras esferas em repouso. No lado contrário ao choque, algumas esferas

iniciarão movimento e subirão a uma certa altura por conta do movimento pendular.

Devido à existência de forças não conservativas, tais como o atrito das esferas com o ar, a

energia mecânica do sistema (compreendido pelas esferas somente) tende a diminuir com o

passar do tempo. Além disso, choques não completamente elásticos entre as esferas fazem

diminuir a energia mecânica total.

Para permitir a ilustração dos princípios de conservação, devem-se escolher esferas massivas

o suficiente para que a perda de energia por atrito com o ar seja desprezível em um intervalo



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pequeno de tempo. Além disso, a escolha de esferas de alta dureza e de excelente coeficiente

de restituição no impacto serve para tornar as forças conservativas predominantes.

3. Metodologia

Com a proposta de trabalho baseada no pêndulo de Newton, foi estabelecida uma estratégia de

aproximação do cliente a fim de se conhecer quais eram suas necessidades e suas expectativas

acerca do projeto. Tornou-se necessário saber o que era esperado pelo cliente.

Dessa forma, criou-se um questionário para que se encontrassem tais fatores e tornar possível

dar início ao trabalho. O questionário teve por objetivo identificar quais eram os fatores CTQs

(Criticals to Quality) e gerou um direcionamento sobre como lidar com esses CTQs com base

na voz do cliente. A formulação do questionário ocorreu com base nas características e fatores

indispensáveis para o sucesso do projeto. A seguir, apresentamos como exemplo algumas das

perguntas mais relevantes contidas no questionário:

O produto deve ser fácil de transportar?

Existe alguma limitação com relação ao custo?

Quais características técnicas você considera crítica para esse produto? Por favor,

coloque em tópicos.

Defina as especificações de projeto (tamanho e espessura da corda, tamanho e peso da

esfera)

Qual a durabilidade você espera para esse produto?

O questionário foi aplicado a professores do ensino de física, os quais possuíam maior

conhecimento do produto e pretendiam utilizá-lo em demonstrações práticas de física aplicada

em estudos de engenharia. No total, o questionário foi respondido por onze professores de

física.

De posse das respostas, foi realizada a análise das informações obtidas para estabelecer as

relações necessárias entre os requisitos do projeto e a voz do cliente. Para esta finalidade, foi

utilizada a matriz (QFD), a qual foi dividida em quatro fases: planejamento do produto,

componentes, processos e planejamento da produção.



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A primeira matriz QFD desenvolvida é referente às informações obtidas pelo questionário

aplicado aos especialistas e consumidores, sendo consideradas questões gerais acerca do

projeto. Foram estabelecidos pesos e relações entre as necessidades do cliente e os requisitos

do projeto através da análise dos questionários e através de uma priorização de características

acerca das questões entre os fatores.

A segunda matriz QFD foi baseada nos requisitos de projeto analisados na primeira matriz

QFD. Porém, agora com relação aos componentes do produto a serem estabelecidos. É

importante ressaltar que nem todos os requisitos do projeto da primeira matriz QFD foram

utilizados neste, uma vez que sua importância relativa é irrelevante diante do projeto total,

assim ocorreu com todas as fases seguintes.

A terceira matriz QFD relacionou os componentes do produto com os processos que devem

ser realizados durante sua fabricação, estabelecendo o nível de relação entre os componentes e

os processos a serem realizados, identificando quais são os fatores de maior relevância no

projeto.

Por fim, a quarta matriz QFD relacionou os processos de fabricação com o planejamento da

produção, ou seja, maneiras de realizar e controlar esse processo.

Após realizar um estudo sobre o QFD do projeto, foi necessário identificar quais os principais

fatores e parâmetros a serem observados e buscar sanar os possíveis problemas existentes de

acordo com os requisitos principais do cliente. Considerando a fase de desenvolvimento do

projeto, o QFD serviu como uma boa base para identificar os principais modos de falhas e

priorizar qual fator deve receber uma maior importância nas demais etapas do projeto.

4. Análise dos resultados

Neste tópico discute-se os resultados obtidos com a análise das quatro matrizes QFD, do

relatório FMEA, e do croqui do produto.

4.1. Matrizes QFD

A primeira matriz QFD é chamada de “QFD - Planejamento de Produto”. Essa matriz QFD

foi desenvolvida através das informações obtidas através dos questionários respondidos pelos



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clientes. A Tabela 1 mostra a Ordem de atuação dos Requisitos de projetos, assim como o seu

grau de importância.

Tabela 1 – Ordem de atuação Requisitos de Projeto (Planejamento de Produto)

Ordem de

AtuaçãoRequisitos de Projeto

Grau de

Importância

1 Minimizar o custo 5402 Projetar peças intercambiáveis 516

3 Definição do material da base 4164 Definição das especificações da corda 412

5 Definição da densidade do material da esfera 388

6 Definição do peso ideal da esfera 3887 Maximizar tempo de funcionamento 336

8 Vida útil do produto 2969 Minimizar a altura 264

10 Minimizar o comprimento 264

11 Minimizar a largura 264

12 Minimizar o peso do produto 252

13 Baixo tempo de montagem e desmontagem 23214 Diametro da Esfera 180

Fonte: Elaborado pelos próprios autores

Através da priorização desses requisitos de projeto pode-se observar quais características

devem ser controladas e receber uma maior atenção durante o desenvolvimento do projeto,

que para esta matriz QFD são “Minimizar o custo” e “Projetar peças intercambiáveis”.

A segunda matriz QFD é chamada de “QFD - Componentes”. Essa matriz utiliza como

entrada os Requisitos de Projeto gerados na “QFD - Planejamento de Produto” e os

classificam como necessidade dos clientes. A Tabela 2 mostra a ordem de atuação dos

requisitos de projetos, assim como o seu grau de importância.

Tabela 2 – Ordem de atuação Requisitos de Projeto (Componentes)



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Ordem de


Grau de

Importância

1 Esfera 6332 Corda 4553 Suporte 2584 Base 241

5 Material de fixação 1976 Verniz para a base 557 Material de revestimento 22


Como uma saída dessa matriz QFD, pode-se priorizar quais os componentes devem ser

controlados e demandam um maior investimento, que são “Esfera” e “Corda”. De fato, estes

dois requisitos priorizados são os principais responsáveis pela conservação de energia

mecânica do sistema, garantindo um bom funcionamento do produto.

A terceira matriz QFD (Anexo D) é chamada de “QFD - Processo” e utiliza como entrada os

requisitos de projetos priorizados e gerados pela “QFD - Componentes”. A Tabela 3 mostra a

ordem de atuação dos requisitos de projetos, assim como o seu grau de importância.

Tabela 3 – Ordem de atuação Requisitos de Projeto (Processo)

Ordem de


Grau de

Importância

1 Fixar as esferas na corda 511

2 Fixar a corda no suporte 3523 Revestir a esfera 282

4 Comprar as esferas 264

5 Fixar o suporte na base 2476 Comprar corda 211

7 Envernizar a base 158

8 Comprar a base 105

9 Comprar o suporte 105 Fonte: Elaborado pelos próprios autores

Como saída dessa terceira matriz QFD é possível determinar quais processos serão mais

críticos quanto ao funcionamento do produto, e para esta matriz são “Fixar as esferas na

corda”, “Fixar a corda no suporte” e “Revestir a esfera”. Conforme observado na matriz

“QFD - Componentes”, os requisitos de processo priorizados estão diretamente relacionados

com os principais componentes priorizados, enfatizando a importância destes.



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A quarta matriz QFD (Anexo E) é chamada de “QFD – Controle de Processo” e utiliza como

entrada os requisitos de projetos priorizados e gerados pela matriz “QFD - Componentes”. A

Tabela 4 mostra a ordem de atuação dos requisitos de projetos, assim como o seu grau de

importância.

Tabela 4 – Ordem de atuação Requisitos de Projeto (Controle de Processo)

Ordem de


Grau de

Importância

1 Inspeção visual 900

2 Control Chart 409

3 Teste de tempo de funcionamento 409

4 Análise de capabilidade 327 Fonte: Elaborado pelos próprios autores

A matriz “QFD – Controle de Processo” enfatiza que a melhor forma de controle durante a

confecção do pêndulo de Newton será a “Inspeção Visual”, visando garantir os padrões de

qualidade estabelecidos. Outras formas de controle seriam o “Control Chart” e o “Teste de

tempo de funcionamento”.

4.2. FMEA

O índice G é o índice que deve refletir a gravidade do efeito da falha sobre o cliente,

assumindo que o tipo de falha ocorra. Através da Figura 3, podemos observar como foi

definido o índice de Gravidade.

Figura 3 – Índice de Gravidade



11

Fonte: AIAG (2008)

O índice de ocorrência é uma estimativa das probabilidades combinadas de ocorrência de uma

causa de falha, e dela resulta o tipo de falha no produto/processo. Através da Figura 4,

podemos observar como foi definido o índice de ocorrência.

Figura 4 – Índice de ocorrência

Fonte: AIAG (2008)

O índice de detecção é o índice que avalia a probabilidade de a falha ser detectada antes que o

produto chegue ao cliente. Através da Figura 5, podemos observar como foi definido o índice

de detecção.

Figura 5 – Índice de detecção



12

Fonte: AIAG (2008)

A multiplicação dos três índices (G x O x D) resulta no índice de risco (RPN – Risk Priority

Number) (AIAG, 2008). Através da matriz de priorização, foram identificados e destacados os

principais modos de falha, expressos na Tabela 5.

Tabela 5 – Componentes críticos FMEA


Os principais modos de falhas encontrados são “Quebra da esfera”, “Deformação da esfera” e

“Rompimento da corda”. Foi possível comparar o resultado do FMEA com o resultado das

matrizes QFD, e desta forma ficou evidente que os componentes identificados no FMEA são

os mesmos componentes priorizados no QFD, mostrando a importância destas duas

ferramentas no desenvolvimento deste produto.



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4.3. Croqui do produto

Para uma melhor visualização da ideia do protótipo do produto proposto, foi elaborado um

croqui, tomando como base as diretrizes apontadas no QFD e FMEA. As Figuras 6, 7 e 8

representam as vistas do modelo de pêndulo de Newton desenvolvido.

Figura 6 – Vista 1 do Croqui Pêndulo de Newton



14






15



O conceito de padronização do material dos componentes teve uma grande importância

durante a confecção do croqui do produto final. As esferas e o suporte podem ser

confeccionados com o mesmo material (Conforme representado no croqui do projeto),

reduzindo a quantidade de fornecedores, e facilitando projetar peças intercambiáveis. Uma

outra possibilidade seria utilizar este mesmo material para a base do pêndulo, padronizando a

material utilizado nas esferas, no suporte e na base.

5. Conclusão

Através da ferramenta QFD foi possível levantar as características mais importantes para o

cliente final. Foram identificados e priorizados os principais requisitos de projeto: “Minimizar

o custo” e “Projetar peças intercambiáveis”. Foram identificados e priorizados os principais

componentes: “Esfera” e “Corda”. Foram identificados e priorizados os principais processos:

“Fixar as esferas na corda”, “Fixar a corda no suporte” e “Revestir a esfera”. Foram



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identificados e priorizados os principais métodos de controle do processo: “Inspeção Visual”,

“Control Chart” e o “Teste de tempo de funcionamento”.

Com o desenvolvimento do FMEA foi possível identificar os dois principais modos de falha

presente no projeto, assim como as análises de suas causas raiz, expresso na Tabela 6:

Tabela 6 – Priorização FMEA


Durante a confecção do croqui do produto, é possível observar o mesmo material proposto

para as esferas e para o suporte do pêndulo de Newton, atendendo ao requisito de projeto

“projetar peças intercambiáveis”, buscando uma e padronização dos materiais.

A interação entre as ferramentas QFD e FMEA faz com que o projeto ocorra sempre levando

em consideração os componentes e processos classificados como críticos, e possibilita uma

priorização dentre esses elementos, fazendo com que se torne possível uma visão mais ampla

de possíveis modos de falha e de possíveis melhorias durante o planejamento do produto.

De acordo com o resultado obtido pelas ferramentas FMEA e QFD, ficou bastante evidente

que o componentes crítico para o desenvolvimento do pêndulo de Newton é a “esfera”. Este

resultado é facilmente representado pela teoria, pois este componente é o responsável direto

pelo bom funcionamento do sistema. Tendo selecionado o componente crítico, facilitou-se a

ordem de priorização de ferramentas para controle do processo e modos de falha.

O objetivo proposto foi alcançado, pois foi possível identificar, através do QDF e do FMEA,

o principal componente crítico para se projetar um pêndulo de Newton eficaz. A utilização

destas ferramentas para a realização do croqui do produto mostrou que é possível atender a

voz do cliente, projetando um pêndulo de Newton que tenha sua base e esfera de mesmo

material, diminuindo seu custo, e contendo peças intercambiáveis.



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Agradecimentos

Os autores agradecem à FUPAI, à FAPEMIG, ao CNPq e à CAPES pelo apoio à pesquisa.

REFERÊNCIAS

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