Ranqueamento das alternativas

Para construir o ranqueamento das alternativas é necessário, primeiramente, estabelecer o propósito do protótipo, identificar as questões críticas e aplicabilidade do protótipo. A partir dessas informações, de acordo com a norma VDI 3404 (2009) e com Rix et al., (2016), é possível selecionar em referência à aplicabilidade, qual das quatro classes de protótipos (conceitual, geométrico, funcionais e técnicos) que melhor atende os requisitos.

A mensuração de desempenho utilizando a AHP foi desenvolvido com base nos critérios relevantes identificados e classificados em níveis, conforme Figura 10. O primeiro nível da hierarquia representa o objetivo do problema de pesquisa abordado. Os FCS do segundo nível desempenham um papel determinante na tomada de decisão, portanto, os critérios de Tempo, Custo e Qualidade da peça são reunidos neste nível. No terceiro nível, os subcritérios são nomeados como dimensões, são alocados neste nível, os subcritérios: precisão dimensional, acabamento superficial, Tempo de pré- processamento, Tempo de processamento, Tempo de pós-processamento, Custo de matéria e Custos gerais de operação. No último nível estão as alterativas.

O Índice de desempenho 𝐼𝑎 das alternativas 𝑎 demanda a identificação da importância dos FCS e, respectivamente, a importância 𝑤_𝑠𝑐 dos subcritérios 𝑠𝑐, além dos atributos 𝑣_{𝑠𝑐 𝑎} característicos das alternativas 𝑎 selecionadas. conforme mostra a Equação 1, sendo expresso com uma pontuação que varia entre 0 e 1.

𝐼_𝑎 = ∑7 𝑣_{𝑠𝑐 𝑎}

𝑠𝑐=1 𝑥 𝑤𝑠𝑐 (1)

A fim de facilitar a análise e o entendimento dos resultados obtidos, o Quadro 6 apresenta a conversão do desempenho da escala quantitativa do índice global de desempenho percentual para uma escala qualitativa, separada em quatro níveis de intervalos distintos. Tomando em conta, que o nível menor é considerado como “não competitiva” e o nível maior, como “plenamente competitiva”.

Quadro 6 – Escala de avaliação do índice de desempenho.

Índice de desempenho (𝐼𝑎) Descrição

0 --- 2,5 Não competitivo

2,6 --- 5,0 Pouco competitivo

5,1 --- 7,5 Potencialmente competitivo 7,6 --- 10 Plenamente competitivo Fonte: Elaborado pelo Autor (2020).

As atribuições dos limites qualitativos de desempenho foram estruturadas de acordo com as experiências e expectativas do autor sobre fabricação mecânica, durante o desenvolvimento do índice de desempenho, de modo que facilite a visão sobre a realidade da mensuração.

A primeira parte para o cálculo do índice de desempenho envolve a verificação do nível de importância, tanto dos FCS quanto dos subcritérios que compõem a estrutura hierárquica desenvolvida para o problema. As importâncias são definidas de acordo com a opinião de especialistas nas áreas de fabricação mecânica. Tanto os dados sobre os FCS quanto as importâncias dos subcritérios são informadas pelos especialistas de maneira paritária, comparativamente à importância entre FCS ou subcritérios localizados no mesmo nível da estrutura hierárquica, sendo descritas por matrizes de julgamento paritárias.

Um total de duas matrizes de julgamentos são necessárias, uma para a comparação dos três FCS (Qualidade, Tempo e Custo) e outra, para os sete subcritérios (Precisão dimensional, Acabamento superficial, Pré-processamento, Processamento, Pós-processamento, Material e Custos gerais de Operação). A construção das matrizes de comparação paritárias concentra os valores para cada FCS ou subcritério usando os julgamentos dos especialistas com base na escala fundamental Escala Fundamental de Saaty (1980), (Quadro 7).

Quadro 7 – Escala fundamental de valores

Escala Valor correspondente

Os dois critérios são iguais 1

O critério domina moderadamente o outro (pouco mais importante) 3 O critério domina fortemente o outro (mais importante) 5 O critério dominou fortemente o outro (muito mais importante) 7 O critério é absolutamente dominante (mais importante) 9

Os valores intermediários para refinar os julgamentos 2, 4, 6, 8 Fonte: Saaty (1980).

As comparações são expressas em valores cardinais e armazenados na matriz de comparação, onde cada julgamento indica quanto um FCS ou subcritério é mais importante que o outro (ESSAID et al., 2017).

O valor das importâncias relativas é resultado da soma dos julgamentos realizados, em linha, nas matrizes de julgamento paritárias, sendo que, cada linha e coluna representa a relação de comparação entre os FCS ou subcritérios, conforme a matriz em questão. O exemplo de matriz de julgamento paritária (Tabela 2) em que a importância dos FCS Custo e Tempo foram comparadas por um especialista.

Tabela 2 – Matriz de julgamento paritária.

FCS Custo Tempo Somatório Importância local

Custo 1 5 6,0 83%

Tempo 0,2 1 1,2 17%

Somatório 7,2 100%

A situação mostra que o FCS Custo é, segundo a escala utilizada, cinco vezes mais relevante que o FCS Tempo. Por consequência, o somatório da linha de julgamento para o FCS Custo resulta em um valor muito superior (6,0) quando comparado à linha de julgamentos do FCS Tempo (1,2). Dessa forma, a importância local do FCS Custo é 83%, e os restantes 17% ficam reservados para a importância local do FCS Tempo.

Para verificar a coerência dos julgamentos e detectar incoerências, o índice de consistência de cada matriz paritária deve ser calculado. Conforme descrito em Saaty, um índice de consistência abaixo de 10% indica que os julgamentos dos especialistas estão coerentes. Caso o índice de consistência for maior do que 10%, então, o especialista deve ser procurado para corrigir a inconsistência verificada ou a importância calculada deve ser desconsiderada.

A importância local, tanto dos subcritérios quanto dos FCS, é dada pela razão entre a relevância encontrada nos julgamentos paritários e a soma de todos os valores de relevâncias atribuídos nas comparações. Porém, como os subcritérios foram desenvolvidos como uma forma de detalhamento dos FCS, localizados em um nível acima da estrutura hierárquica, a importância local dos subcritérios 𝑤𝑙𝑠𝑐 deve ser relativizada com base na importância local dos FCS. Portanto, considera-se que a importância global de um subcritério 𝑤_𝑠𝑐 é limitada à importância local 𝑤_𝑓𝑐𝑠 do FCS 𝑓𝑐𝑠 detalhado, conforme mostra a Equação 2.

𝑤_𝑠𝑐 = 𝑤𝑙_𝑠𝑐 𝑥 𝑤_𝑓𝑐𝑠; ∀ 𝑠𝑐 ⊂ 𝑓𝑐𝑠 (2)

A segunda parte para realizar o cálculo do índice de desempenho envolve a identificação dos atributos característicos das alternativas para cada subcritério estabelecido na estrutura hierárquica.

Por se tratar de um estudo quantitativo, os atributos são descritos em diferentes tipos de escalas numéricas. Para obter o ranqueamento das alternativas em uma escala padrão, os atributos das escalas originais (𝑣′_{𝑠𝑐 𝑎}) dos subcritérios devem ser padronizados (𝑣_{𝑠𝑐 𝑎}), seguindo o padrão verificado no índice de desempenho (valores entre 0 e 1). A Tabela 3 mostra a unidade de medida, a escala original e o formato da escala padronizada para a conversão de todos os subcritérios.

Tabela 3 – Ranqueamento das alternativas em escala padrão Subcritério Unidade medida Tendência Escala original (𝑣′_{𝑠𝑐 𝑎}) Escala padronizada (𝑣_𝑠𝑐𝑎)

Mínimo Máximo Mínimo Máximo

Precisão dimensional Mm Decrescente 0,001 0,050 76% 100% 0,050 0,100 51% 75% 0,100 0,150 26% 50% 0,150 > 0% 25% Acabamento superficial µm Decrescente 0,025 0,19 76% 100% 0,2 1,59 51% 75% 1,6 12,49 26% 50% 12,5 50 0% 25% Pré- processamento H Decrescente 0 0,5 76% 100% 0,5 1 51% 75% 1,0 1,5 26% 50% 1.5 > 0% 25% Processamento H Decrescente 0,5 1 51% 75% 1,0 1,5 26% 50% 1.5 > 0% 25% 3 4 0% 25% Pós- processamento H Decrescente 0 0,5 76% 100% 0,5 1 51% 75% 1 1,5 26% 50% 1,5 > 0% 25%

Material R$/ano Decrescente

< 20,000 76% 100% 20,000 50,000 51% 75% 50,000 80,000 26% 50%

80,000 > 0% 25%

Custos gerais

de operação. R$/ano Decrescente

200,000 250,000 76% 100% 250,000 300,000 51% 75% 300,000 350,000 26% 50%

350,000 > 0% 25%

Os atributos na escala original são coletados através de normas técnicas, na literatura apresentada ao longo dos capítulos 2 e 3 e, em experiências práticas desenvolvidas em um ambiente de fabricação industrial, tanto educacional como profissional. Tal fato requer o uso de especialistas em fabricação mecânica, tanto para o manuseio quanto para a mensuração dos atributos requeridos.

Alguns atributos específicos dos subcritérios (Custos do Material e Custos Gerais de Operação) podem ser definidos de maneira estimada, visto a sua natureza de mensuração. Todos os dados coletados, no formato original, devem ser mostrados na seção de apresentação da aplicação prática da metodologia apresentada.

Um atributo coletado na escala original é convertido utilizando como referência os limites mínimos e máximos definidos para a escala padronizada, em faixas de importância, em formato semelhante ao verificado para o índice de desempenho. Com base na padronização de limites, tanto para a escala original quanto para a escala padronizada, funções de valor foram desenvolvidas, a fim de que dados intermediários aos limites das faixas de cada subcritério sejam normalizados proporcionalmente ao seu valor original. (Tabela 4).

Tabela 4 – Funções de valor dos subcritérios

Subcritério Funções de valor

Precisão dimensional 𝑣_{𝑠𝑐 𝑎} = −5,0301(𝑣′_𝑠𝑐𝑎) + 1,0035 Acabamento superficial 𝑣_{𝑠𝑐 𝑎} = −0,121𝑙𝑛(𝑣′_𝑠𝑐𝑎) + 0,5556 Pré-processamento 𝑣_{𝑠𝑐 𝑎} = −0,5(𝑣′_{𝑠𝑐 𝑎}) + 1 Processamento 𝑣_{𝑠𝑐 𝑎} = −0,25(𝑣′_𝑠𝑐𝑎) + 1 Pós-processamento 𝑣_{𝑠𝑐 𝑎} = −0,5(𝑣′_{𝑠𝑐 𝑎}) + 1 Material 𝑣_{𝑠𝑐 𝑎} = −0,0000006(𝑣′_{𝑠𝑐 𝑎}) + 0,9694 Custos gerais de operação 𝑣_{𝑠𝑐 𝑎} = −0,00006(𝑣′_𝑠𝑐𝑎) + 2 Fonte: Elaborado pelo Autor (2020).

Apenas uma função de valor não é decrescente linear, relativa ao subcritério acabamento superficial representada por uma função logarítmica. Todas as funções foram originadas de curvas de tendência desenvolvidas com os limites máximos e mínimos das escalas original e normalizada. Um nível de aproximação próximo a um

coeficiente de generalização estatístico 𝑅2 para todos os subcritérios, o que garante que valores na escala original contidos dentro dos limites mínimos e máximos das faixas possam ser convertidos com uma margem de erro pequena.

A interpretação quantitativa dos dados sobre as importâncias dos FCS e subcritérios foi recebida mediante formulários respondidos no Google Forms por especialistas. A seguir, foram submetidos a um processo matemático de mensuração de desempenho mostrado, alimentados em planilhas eletrônicas para facilitar os cálculos. Os dados quantitativos a respeito da situação dos atributos em relação as alternativas, tanto na escala original quanto na escala padronizada, foram coletadas em planilhas eletrônicas.

A etapa de ranqueamento das alternativas é finalizada com a elaboração de relatos técnicos para descrever o desempenho de cada alternativa em relação aos subcritérios e FCS característicos do problema, a fim de resumir os principais pontos encontrados durante a mensuração, recomendando possíveis ações, as quais possam ser tomadas para a melhoria das alternativas de manufatura.

4 APLICAÇÃO PRÁTICA

Neste capítulo, apresenta-se a aplicação prática da metodologia que foi desenvolvida para a produção dos protótipos, a partir da manufatura aditiva e subtrativa. O estudo foi realizado nos laboratórios do CTISM, onde o protótipo foi definido conforme seu propósito. As alternativas são elucidadas e a complexidade geométrica do protótipo é verificada desde um conjunto de características construtivas que podem definir a capacidade das alternativas A1, A2 e A3 reproduzir com precisão o protótipo.

O protótipo foi modelado em software de CAD e a programação da usinagem realizada com um software de CAM. Os protótipos foram produzidos e durante o processo foram coletados os dados que envolveram os três FCS e sete subcritérios. A partir dos dados coletados e aplicando um método de decisão multicritério, a aplicação prática visa conhecer o índice de desempenho das alternativas A1, A2 e A3 na construção dos protótipos dentro da manufatura aditiva e subtrativa.

4.1 CENÁRIO DA PESQUISA

A pesquisa foi realizada nas instalações do Colégio Técnico Industrial de Santa Maria (CTISM), no laboratório de tecnologias Cax (CAD/CAE/CAM/CNC e Prototipagem rápida). O CTISM, iniciou suas atividades no dia 04 de abril de 1967, quando o reitor da UFSM era o Professor José Mariano da Rocha Filho. Nesta época, os cursos ofertados eram de Nível Médio e técnico em Eletrotécnica e Mecânica.

Atualmente o CTISM conta com 17 cursos, sendo 3 técnicos integrados ao ensino médio, 11 cursos técnicos, 3 cursos de graduação e 1 de pós-graduação. Possui uma área construída de 10.779,47 m², conta 89 docentes, 38 técnicos, aproximadamente 816 alunos presenciais. Destes 816, 315 são alunos de graduação, 33 alunos de mestrado, 468 são alunos do ensino médio integrado e técnico. Devido à posição geográfica de Santa Maria e, pelo fato do CTISM ser a única Instituição Federal de formação técnica industrial na Região Central do Estado, ele recebe alunos de diferentes lugares.

Após concluírem os cursos, seus egressos atuam em vários estados do Brasil, principalmente, na Região Sul, para onde são atraídos por indústrias

metalmecânica, alimentícia, moveleira, de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, entre outras.

O laboratório de tecnologias Cax (CAD/CAE/CAM/CNC e Prototipagem rápida) destina-se ao apoio às atividades de ensino, pesquisa e extensão que necessitem de projeto, desenhos e modelagem CAD (desenho auxiliado por computador), CAM (manufatura auxiliada por computador), CAE (engenharia auxiliada por computador). A partir de softwares de ponta, amplamente utilizados no mercado e equipamentos como centro de usinagem, centro de torneamento, impressora 3D, máquina de medição por coordenadas, possibilitam a modelagem de elementos e peças, simulação de carregamentos e esforços, programação de usinagem e prototipagem de peças.

Este laboratório atende aos discentes e docentes dos cursos técnicos e tecnológicos do CTISM e os cursos de engenharia da UFSM. O laboratório conta com um grupo de pesquisa Cax que teve início em 2015 e possui duas linhas de pesquisa.

A primeira, integração de sistemas CAD/CAM/CNC, que aborda pesquisas técnicas pontuais para interação de sistemas CAD/CAM, como aplicativos computacionais, pós-processadores, geradores de imagem, geradores de código CNC para comandos de máquinas, prototipagem rápida, metrologia, materiais, entre outros. A segunda linha de pesquisa é pós-processador CNC. O objetivo é desenvolver processos para geração do código CNC e programação avançada CNC. Pois, com a constante evolução da tecnologia CNC, muitas ferramentas de programação disponíveis para os equipamentos CNC precisam ser agregadas às aulas práticas de laboratório e o grupo estuda e aplica estas técnicas.

4.2 DEFINIÇÃO DO PROTÓTIPO

A proposta deste estudo é criar o protótipo de uma peça didática para o laboratório de metrologia mecânica, com o objetivo de auxiliar aos alunos na prática do uso de instrumentos de medição, no caso, paquímetros e goniômetros. Esta peça didática deve oferecer ao aluno a oportunidade de conhecer melhor as características destes instrumentos, sua aplicação, bem como suas unidades de medidas.

Primeiramente, o protótipo foi produzido em ABS e, em escala de tamanho real. À vista destes requisitos, a classe de protótipo conceitual é a que mais se enquadra neste contexto. Assim, os protótipos produzidos serão conceituais. Para representar a primeira ideia de conceito do projeto, um esboço do protótipo foi realizado e, após, o desenho técnico com base na modelagem em software de CAD (Figura 11).

Figura 11 – Desenho técnico com base modelagem em software de CAD

Fonte: Elaborado pelo autor (2019).

A necessidade de um protótipo conceitual antes do lançamento do produto é importante para analisar cotações e avaliar os requisitos do ponto vista ótico, estético, ergonômico. Esta classe inclui os protótipos necessários antes do lançamento da documentação do produto, além do auxílio visual ao design que também servem para fins especiais, como propostas de conceito, solicitações de cotação e estudos ergonômicos.

O propósito do protótipo é oferecer uma geometria que atenda estes requisitos. O protótipo deve servir com uma proposta conceitual, para que uma forma física do protótipo seja produzida, visualizada, manipulada e permita que se verifique se a geometria definida cumpre os requisitos inerentes a sua aplicação.

4.3 ALTERNATIVAS DE PROTOTIPAGEM

Os protótipos podem ser produzidos a partir de diferentes tecnologias de prototipagem, como a impressão FDM e a usinagem CNC, que oferecem pontos fracos e pontos fortes de fabricação. Embora sejam processos diferentes, um não pode substituir o outro e representam meios eficientes para a produção de protótipos (RELVAS; SIMÕES, 2004; TOWNSEND; URBANIC, 2012; BAI; HU, 2018).

No entanto, dois protótipos conceituais foram produzidos por manufatura aditiva, representados pela impressão FDM e denominados alternativa A1 e alternativa A2. A alternativa A1 é um protótipo sólido e a alternativa A2 é um protótipo com Economia de Deposição de Material (EDM), o qual é produzido com quantidade reduzida de matéria-prima. Por fim, a manufatura subtrativa é representada pela usinagem CNC, denominada alternativa A3.

Para a impressão dos protótipos (sólido e EDM) produzidos por adição de material foi empregada uma impressora 3D FDM, marca Stratasys modelo U Print SE Plus. A impressora usa a tecnologia FDM para criar peças em ABS, podendo produzir modelos e protótipos funcionais duráveis, estáveis e precisos. Oferece nove opções de cores e duas espessuras de camada que permite a escolha entre imprimir um modelo 30% mais rápido ou com uma resolução maior. O kit inicial para utilização da impressora dispõe do software CatalystEX, do sistema de remoção de suporte e o suprimento de materiais-base.

A matéria-prima (ABS) é fornecida em cartuchos que são facilmente carregados no compartimento de material. O filamento termoplástico percorre um tubo até a cabeça de impressão onde é aquecido. Quando o material atinge um estado semilíquido é extrudado para depositar as camadas que formarão a peça. Ao final da impressão, basta remover o material de suporte. As cores disponíveis para impressão são: marfim, branco, azul, amarelo fluorescente, preto, vermelho, nectarina, verde-oliva ou cinza.

A impressora 3D FDM disponibiliza um envelope de construção de 203 x 203 x 152 mm, que determina o tamanho máximo de impressão. A velocidade de deposição de material, segundo o fabricante, é de 5 mm³/hora e a espessura da camada pode ser escolhida como de 0,254 mm ou de 0,330 mm. A compatibilidade com sistemas operacionais a partir de Windons XP/Windons 7 e para conectividade na rede Ethernet TCP/IP 10/100 Base-T. As dimensões da impressora com o

compartimento de carregamento de material são de 635 x 660 x 940 mm e massa de 94 kg. Não requer preparação de instalações elétricas especiais e o produto utilizado necessita de tensão entre 220 e 240 VCA, uma frequência de 50/60 Hz e um circuito que suporte uma capacidade mínima de 7 A. As informações apresentadas foram coletadas a partir de informações e catálogos do fabricante e de fornecedores.

Para a remoção dos suportes, a impressora 3D FDM dispõe de um tanque denominado sistema de limpeza de suporte WaveWash. O sistema dissolve o suporte em uma solução à base de água, sem o uso das mãos e sem a necessidade de supervisão. Os modelos após a impressão são mergulhados na solução e o equipamento controla agitação e temperatura para retirada do material de suporte. As dimensões para a remoção de suporte são de 48,33 x 43,18 x 43,85 mm e massa de 16,4 kg. Utiliza um cesto onde são colocados os modelos com as seguintes dimensões: 203 x 203 x152 mm. Não requer preparação de instalações elétricas especiais, opera em uma tensão de 100 - 240 VCA, frequência de 50/60 Hz e potência de 1200 Watts. Porém, necessita de uma fonte de água padrão. As informações apresentadas foram coletadas, a partir de informações e catálogos do fabricante e de fornecedores.

Para a produção do protótipo usinado, foi utilizado um centro de usinagem CNC marca Romi modelo D600. A matéria-prima empregada no processo de usinagem é o ABS na forma de barra cilíndrica de 60 x 1000 mm. Assim, manteve-se a matéria-prima o mais próximo possível nos dois processos. Os centros de usinagem vertical da linha Romi D600 vêm equipadas com comando CNC Fanuc ou Siemens, flexíveis para múltiplas aplicações de usinagem em ambientes de produção e ferramentaria. Podem ser equipados com os opcionais: mesa giratória (4º eixo), apalpador de medição, sistema de refrigeração de alta pressão pelo centro da ferramenta, entre outros.

O CNC apresenta alta rigidez mecânica, mesmo em operações severas de usinagem, além da estabilidade térmica e geométrica, as quais garantem precisão e produtividade. Conta com um magazine com capacidade para 20 ferramentas e uma mesa coordenada de 800 x 500 mm podendo suportar um peso uniformemente distribuído de 800 kg. O magazine é do tipo carrossel, suporta ferramentas com diâmetro máximo de 105 mm e comprimento máximo de 254 mm. O mandril de fixação da ferramenta é do tipo BT- 40, suporta ferramentas com, no máximo, 6 kg e o peso máximo admissível no magazine é 68 kg. O curso da mesa em relação aos

eixos é de 600 mm em relação ao eixo X, 530 mm em relação ao eixo Y e o eixo Z fornecido pelo cabeçote da máquina é de 580 mm (altura). A superfície da mesa exibe 5 ranhuras (rasgos “T”) rasgos posicionados, largura da ranhura 18mm distância de 89 mm.

Para a fixação da matéria-prima podem ser usados dispositivos convencionais, a própria mesa e também podem ser desenvolvidos dispositivos de fixação específicos. O CNC utilizado é equipado com comando CNC Fanuc Oi-mD e dispõe de monitor de LCD colorido de 10,4 polegadas. Possui interface Ethernet, drive para cartão PCMCIA e tomada serial RS 232. O comando oferece como opcional um kit plus, conjunto de softwares para aumentar a performance da máquina em usinagem de moldes e matrizes para entregar um melhor acabamento superficial das peças usinadas e menor tempo de usinagem.

No que se refere à faixa de velocidade (rpm), o CNC dispõe de duas versões. Uma de 7500 (rpm), modelo este utilizado no estudo, e outra versão de 10.000 (rpm). O avanço máximo de corte programável é de 20 m/min e o avanço máximo para os três eixos é 30 m/min. Quanto à potência total instalada é de 30 kVA, sendo que a potência do motor principal de 20 cv. O centro de usinagem Romi D600 ocupa uma área de 2600 x 2680 mm para a instalação, requer uma rede de alimentação trifásica e seu peso é de 5000 kg. Todas as informações apresentadas foram coletadas, a partir de informações e catálogos do fabricante e de fornecedores.

4.4 GEOMETRIA DO PROTÓTIPO

A complexidade geométrica é abordada com maior profundidade, é definida como um conjunto de características construtivas capazes de avaliar se alternativas disponíveis podem reproduzir com precisão os recursos existentes no protótipo.

Na pesquisa, diversas publicações referentes às características construtivas de cada uma das alternativas selecionadas foram buscadas. Como resultado, nove características foram identificadas sendo referência para o entendimento da complexidade geométrica.

A primeira característica se refere ao do princípio construtivo e define o