Introdução aos Processos de Fabricação

Introdução aos Processos de Fabricação Prof Dr Guilherme Canuto da Silva 1 INTRODUÇÃO A transformação de matériaprima em produtos capazes de desempenhar funções de interesse é uma prática antiga Seja de forma artesanal seja com uso de alta tecnologia esta prática está presente no desenvolvimento e na evolução de todas as civilizações Agora com algumas tecnologias já consolidadas e outras em seu estado da arte de desenvolvimento conseguiuse entender com uma boa aproximação a natureza dos fenômenos físicos envolvidos em muitas destas transformações O uso unitário ou combinado destas tecnologias permite a fabricação de produtos mais eficientes economicamente viáveis ambientalmente adequados possíveis de serem reciclados e principalmente capazes de desempenhar suas funções com confiabilidade sem falhas e por longo tempo Aos interessados em fazer o uso adequado de tais tecnologias o entendimento dos fenômenos envolvidos se faz importante Para isto a aplicação de fundamentos advindos de diversas disciplinas de cursos de engenharia e de tecnologia são essenciais para o sucesso desta tarefa Pensar em tecnologia de fabricação como uma máquina que deve ser ligada e abastecida com um certo material é além de desastroso um pensamento perigoso e que pode colocar em risco a segurança e a integridade dos envolvidos Qualquer estudo sobre tecnologias de fabricação deve ser iniciado com no mínimo as seguintes perguntas que produto será fabricado Qual é o desempenho esperado para este produto Quais matériasprimas serão processadas Quais serão as quantidades produzidas De posse destas respostas temse o início de um caminho consistente científico e metodológico capaz de verter estas informações em requisitos para se definir quais serão as tecnologias possíveis de serem utilizadas na fabricação do produto Introdução aos Processos de Fabricação Prof Dr Guilherme Canuto da Silva Para condução destes estudos uma abordagem de modelagem de problemas de engenharia é utilizada Primeiramente um posicionamento para ordenação do estudo é proposto Na sequência a abordagem de modelagem é explicada e então se segue com o estudo das tecnologias de fabricação 11 Posicionamento A condução dos estudos sobre tecnologias de fabricação está estruturada em dois caminhos No primeiro caminho se tem a abstração dos sistemas de fabricação em representações do tipo entradas transformações e saídas Esta representação irá contribuir para um entendimento inicial dos sistemas de fabricação suas características principais assim como a identificação de disciplinas básicas necessárias para o estudo dos problemas No segundo caminho se tem a modelagem dos problemas de fabricação através de um método para solução de problemas de engenharia Neste caminho o estudo é aprofundado Temse o entendimento da tecnologia de fabricação e de como a participação de certas variáveis influencia na transformação da matériaprima As seções seguintes descrevem estes dois caminhos em detalhes 111 Entradas transformações e saídas Em uma visão mais abstrata podese afirmar que o fluxo de matériaprima em uma indústria de transformação atravessa diversas entradas e saídas até que se tenha a fabricação do produto concluída Cada entrada irá corresponder a um tipo e transformação específica e consequentemente a um tipo de tecnologia de fabricação Cada tecnologia de fabricação é caracterizada por um conjunto de fenômenos específicos Por sua vez o comportamento destes fenômenos pode ser observado e entendido através de variáveis envolvidas na transformação da matériaprima Para que se possa estudar e entender os fenômenos associados a essa transformação disciplinas da ciência da tecnologia e da engenharia são utilizadas A figura 11 mostra uma representação abstrata de um sistema de fabricação genérico Introdução aos Processos de Fabricação Prof Dr Guilherme Canuto da Silva Figura 11 Sistema de fabricação genérico 1 A matériaprima fonte de entrada destes sistemas de transformação são em sua maioria produtos oriundos de siderurgia Produtos da indústria siderúrgica podem ser classificados em produtos planos de aço e os produtos longos de aço O uso do aço como material de engenharia se deve principalmente ao conhecimento científico acumulado sobre as relações existentes entre sua composição química seu processamento suas estruturas propriedades resultantes e seu desempenho 2 3 A tabela 11 completa esta classificação com os respectivos tipos e consumo aparente1 1 1 Consumo aparente referese a total produção de um determinado produto adicionando a esta a importação e subtraindo a exportação Introdução aos Processos de Fabricação Prof Dr Guilherme Canuto da Silva Tabela 11 Produtos tipos e consumo aparente Adaptado de 4 A tabela 12 mostra uma síntese do consumo aparente distribuído nos setores consumidores finais Tabela 12 Consumo aparente de produtos planos e produtos longos por setores de transformação Adaptado de 4 Introdução aos Processos de Fabricação Prof Dr Guilherme Canuto da Silva A tabela 13 sugere uma relação entre consumo aparente grupos e tecnologias de fabricação tomando como exemplo o setor automotivo Tabela 13 Relação entre setor automotivo e consumo aparente Adaptado de 4 112 Grupos tecnologias e volume de matériaprima processados Observando os volumes de matériaprima processados uma possível organização dos grupos e de suas tecnologias pode ser feita A pirâmide mostrada na figura 12 sugere uma representação do volume de matériaprima processada através da disposição dos grupos e de suas tecnologias Figura 12 Grupos e tecnologias considerando volume de matériaprima processado 1 Introdução aos Processos de Fabricação Prof Dr Guilherme Canuto da Silva As saídas de cada sistema de transformação resultam em diferentes produtos estes em diferentes instantes de fabricação Um produto resultante de um sistema pode servir de matériaprima de entrada para outro sistema de tal forma que o produto final seja resultado da atuação de diversos sistemas de transformação Isto é muito comum seja na produção de partes unitárias seja na produção de produtos constituídos por diversas partes 12 Modelagem do problema de engenharia A solução de qualquer problema passa por processos de entendimento organização solução e aplicação da solução no problema Desconhecer ou burlar este processo normalmente resulta em soluções inconsistentes equivocadas e até mesmo incompatíveis com o problema tratado A solução de problemas de engenharia possui etapas bem definidas que podem ser utilizadas tanto no desenvolvimento de produtos quanto no desenvolvimento de processos de transformação 5 As seções seguintes propõem o uso de nove etapas para solução de problemas de engenharia 121 Problema Definir um problema de engenharia não é tarefa fácil O problema deve ser definido de forma clara e objetiva Problemas muito abertos podem apresentar inúmeras respostas enquanto problemas muito fechados podem apresentar apenas uma Numa primeira análise uma única resposta pode parecer atraente contudo isto não significa que a solução encontrada seja a solução a ser adotada Portanto primeiramente devese analisar e refletir sobre o problema para então tentar definilo corretamente Para definir o problema de engenharia uma frase contendo um verbo de ação e um substantivo pode ser utilizada Exemplos determinar força determinar torque calcular potência definir polaridade entre outros exemplos 122 Modelo físico Um modelo físico é uma representação de um fenômeno real que se pretende estudar Pode assumir uma representação abstrata e pode conter ainda informações adjacentes consideradas importantes para compreensão do Introdução aos Processos de Fabricação Prof Dr Guilherme Canuto da Silva fenômeno A complexidade do modelo físico reside na habilidade da modelagem Usualmente modelos simples podem apresentar respostas muito satisfatórias aos problemas tratados Ao contrário do que possa parecer não é uma tarefa trivial desenvolver um modelo que seja simples e capaz de representar de forma precisa o fenômeno estudado Desenvolver esta habilidade de modelagem requer treinamento esforço e dedicação 123 Variáveis Uma variável é uma entidade mensurável Usualmente são representadas por letras de diferentes alfabetos eou símbolos As variáveis podem ser físicas ou virtuais Não se deve confundir o valor atribuído a uma variável como a própria variável em si A caracterização completa de uma variável inclui seu símbolo um sinal de igualdade seu valor e sua unidade de medida 124 Modelos matemáticos Modelos matemáticos são utilizados para representar analisar e compreender o comportamento do fenômeno estudado As representações envolvem o uso de diferentes tipos de equações Estas equações por sua vez classificam o tipo de modelo matemático e portanto o tipo de problema tratado Close et al 2001 Edgar e Himmelblau 2001 Söderström e Stoica 1989 apud Garcia 2013 classificam os modelos matemáticos em estático dinâmico linear nãolinear single inputsingle output SISO multiple inputmultiple output MIMO paramétricos nãoparamétricos invariantes no tempo variantes no tempo no domínio do tempo no domínio de frequência em tempo contínuo em tempo discreto amplitude contínua amplitude discreta parâmetros concentrados parâmetros distribuídos determinísticos e estocásticos 6 Geralmente problemas estudados em fabricação são respondidos com uso de equações constitutivas ou com variações destas equações Isto porque as relações constitutivas dos elementos destes sistemas são em sua essência relações empíricas Com isto as relações entre as variáveis envolvidas são em sua grande maioria determinadas experimentalmente e em alguns casos através de estudos sobre relações de causa e efeito 6 Introdução aos Processos de Fabricação Prof Dr Guilherme Canuto da Silva 125 Hipóteses Hipóteses são de grande importância na tratativa de problemas de engenharia As hipóteses auxiliam na criação de condições de contorno o que contribui para sua simplificação e posterior solução do problema Hipóteses devem ser formuladas a partir das variáveis e das condições reais envolvidas no fenômeno Devese ter cuidado ao considerar ou desconsiderar as variáveis envolvidas no estudo uma vez que para descrever o comportamento do fenômeno e dar resposta ao problema se faz necessário o uso das mesmas 126 Solução A solução esperada envolve a formulação de uma ou mais equações Estas equações devem ser capazes de integrar as variáveis de interesse uma vez que a formulação de hipóteses pode suprimir variáveis dispensáveis ao problema tratado Devem ser capazes ainda de representar a relação entre as variáveis e o fenômenocomportamento do sistema 127 Avaliação Avaliar a solução requer atenção reflexão e autocrítica Dependendo da solução equação encontrada algumas alternativas de avaliação podem ser utilizadas Exemplos 1 analisar a consistência entre equações e o fenômeno físico 2 comparar variáveis participantes da solução e com variáveis contidas no fenômeno 3 verificar ordenação das variáveis em relação à igualdade das equações 4 fazer análise dimensional das equações 4 comparar a solução encontrada com problemas análogos 5 conduzir testes de hipóteses 6 simular a solução no computador 128 Validação Após avaliação temse a validação da solução A validação ocorre quando os resultados obtidos satisfazem a pergunta que definiu o problema de engenharia Se o resultado não for satisfatório a validação não ocorre As etapas da modelagem devem ser reformuladas até que se tenha uma solução adequada para o problema É importante ressaltar que a reformulação pode incluir ainda a adequação eou modificação do próprio problema de engenharia Introdução aos Processos de Fabricação Prof Dr Guilherme Canuto da Silva 129 Aplicação A aplicação envolve o levantamento e uso de parâmetros para as variáveis Parâmetro é uma informação numérica que fornece a variável estudada um valor conhecido válido e aceito Por meio destes parâmetros é possível avaliar como as variáveis se comportam e como as mesmas influenciam outras variáveis do fenômeno Ao inserir valores no modelo matemático têmse respostas quantitativas para o problema Os parâmetros podem ser obtidos a partir de duas fontes básicas 1 as fontes textuais e 2 as fontes documentais Fontes textuais incluem livros manuais e demais referências de texto Fontes documentais incluem catálogos sites de fabricantes histórico de problemas análogos relatórios e informações de campo processo eou especialistas Podese ainda fazer o uso combinado de parâmetros obtidos de ambas as fontes Introdução aos Processos de Fabricação Prof Dr Guilherme Canuto da Silva Referências 1 G Canuto da Silva Notas de aula do curso Introdução aos Processos de Fabricação Introdução Universidade Federal do ABC Santo André p 110 2021 2 G R RETHWISCH e W CALLISTER JUNIOR Fundamentos da Ciência e Engenharia de Materiais uma abordagem integrada 4o ed Rio de Janeiro LTC 2014 3 H Colpaert e A L V da Costa e Silva Metalografia dos Produtos Siderúrgicos Comuns 4o ed São Paulo Brasil Blucher 2008 4 INSTITUTO AÇO BRASIL Anuário estatístico 2020 5 G Pahl W Beitz J Feldhusen e KH Grote Engineering Design a systematic approach 3o ed Berlin Heidelberg Germany SpringerVerlag London Limited 2007 6 C Garcia Modelagem e Simulação de Processos Industriais e de Sistemas Eletromecânicos 2o ed vol 1 São Paulo Brasil EDUSP 2013 É proibida a duplicação ou reprodução deste material no todo ou em sua parte sob quaisquer formas ou por quaisquer meios eletrônico mecânico gravação fotocópia distribuição na Web e outros sem permissão expressa do docente