Redução do custo dos testes de manufatura utilizando testes concorrentes
Leandro Alves Ferraz (INdT) - leandroaferraz@gmail.com Silvana Dacol (UFAM) - sdacol@ufam.edu.br
Resumo:
Com o aumento da complexidade dos produtos eletrônicos e conseqüentemente o número de componentes integrados nos mesmos os gastos para garantir a qualidade ao consumidor final tem sido crescente. Neste enfoque este estudo propõe um método que permite a diminuição dos custos da prevenção de falhas do produto, através da redução dos tempos de testes de manufatura do produto numa das etapas de produção sem que haja perda de qualidade nos testes aplicados e sem a necessidade de investimentos adicionais. O método baseia-se em testar as funcionalidades não-dependentes do produto eletrônico de forma concorrente (em paralelo), aumentando a eficiência da utilização dos testadores e por sua vez, reduzindo o tempo total dos testes. Como resultado tem-se uma redução do tempo de testes e conseqüentemente uma redução nos custos de testes, sem que a garantia da qualidade seja comprometida. Por fim, o artigo identifica como a empresa em que foi aplicado o método conseguiu economizar seus custos usando as técnicas de redução de tempo de testes descrito.
Palavras-chave: Testes Concorrentes, Custos de Testes, Reduçao de Tempo de Testes Área temática: Gestão de Custos e Tecnologia da Informação
Redução do custo dos testes de manufatura utilizando testes
concorrentes
Resumo
Com o aumento da complexidade dos produtos eletrônicos e conseqüentemente o número de componentes integrados nos mesmos os gastos para garantir a qualidade ao consumidor final tem sido crescente. Neste enfoque este estudo propõe um método que permite a diminuição dos custos da prevenção de falhas do produto, através da redução dos tempos de testes de manufatura do produto numa das etapas de produção sem que haja perda de qualidade nos testes aplicados e sem a necessidade de investimentos adicionais. O método baseia-se em testar as funcionalidades não-dependentes do produto eletrônico de forma concorrente (em paralelo), aumentando a eficiência da utilização dos testadores e por sua vez, reduzindo o tempo total dos testes. Como resultado tem-se uma redução do tempo de testes e conseqüentemente uma redução nos custos de testes, sem que a garantia da qualidade seja comprometida. Por fim, o artigo identifica como a empresa em que foi aplicado o método conseguiu economizar seus custos usando as técnicas de redução de tempo de testes descrito. Palavras-chave: Testes Concorrentes, Custos de Testes, Reduçao de Tempo de Testes Área Temática: Gestão de custos e tecnologias da informação
1 Introdução
Com o avanço das tecnologias a complexidade dos dispositivos eletrônicos cresceu tanto pela quantidade como pelo complexidade dos elementos em uma placa. Com isso, fez-se necessário a criação de testes cada vez mais robustos os quais causam aumento no lead time do processo e conseqüentemente aumento nos custos de produção sem agregar valor ao produto na mesma proporção.
Para diminuir os custos com os testes e melhorar a qualidade dos produtos, as fábricas trouxeram para as linhas de produção o controle de qualidade. Esta ação melhora o processo no sentido de que as falhas por defeito nos componentes sejam detectadas o mais rápido possível.
Para Foster e Gupta (1990), os testes que garantem qualidade ao produto são considerados gastos extras de manufatura - MOH (do Ingles Manufacturing Overhead) por não agregarem valor algum para o cliente.
Banker, Potter e Schroeder (1995) afirmam que os gastos extras de manufatura na indústria de eletrônicos chegam a 26,4% do total, o que para o cliente não importa quantos testes são aplicados no produto em questão e sim a qualidade do mesmo (DISLIS ET AL, 2002).
Tabela 1 – Gastos Extras de Manufatura
Eletrônicos Maquinaria Automobilísticos Componentes
Custo com operadores 8.4 10.8 7.8
Custo com materiais 65.2 63.6 67.5
Gastos extras de manufatura (MOH)
Fonte: Adaptado de Banker, Potter & Schroeder (1995)
não poder onerar o mesmo, pois segundo Marinho (2003) de nada adiantaria fabricar um produto de ótima qualidade se não houvesse compradores dispostos a pagar um alto preço por ele.
Juran e Gryna (1988) dividem o custo da qualidade em três partes distintas: das falhas, de avaliação e prevenção. Custos das falhas se caracterizam pelas ocorrências antes e depois dos produtos chegarem aos clientes. Custos de prevenção incluem planejamento, controles, avaliações de fornecedores entre outros e por fim os custos de avaliação incluem custos com inspeções, testes em processo, auditorias entre outros.
O presente estudo visa analisar os custos da prevenção de falhas, apresentando uma técnica que reduz o tempo de testes sem a necessidade de investimentos adicionais.
A redução do tempo de teste de cada dispositivo eletrônico será feita, usando testes concorrentes. Teste concorrente é uma técnica para se reduzir o tempo de teste, que consiste em testar várias áreas de um dispositivo em paralelo (MOLAVI e MCPHEETERS, 2007).
2 Metodologia
De acordo com Saeed (2003), existem vários fatores associados com o custo de teste e determinar seu custo total não é uma tarefa fácil. Os tipos de equipamentos de teste, a localização dos testadores, o tempo do teste, são alguns dos fatores que contribuem com o custo total de teste.
Johnson (2005) acrescenta ainda os custos de mão-de-obra dos operadores, assim como seus supervisores, custos de espaço físico de chão-de-fábrica e manutenção, reparo e calibração dos instrumentos de teste.
A metodologia proposta visa reduzir o tempo dos testes de cada dispositivo testando vários módulos do dispositivo ao mesmo tempo (testes concorrentes). Bouwmeester et al, garantem que o uso desse tipo de teste reduz de 40 a 50 por cento do tempo sem que seja necessária alterações no design do produto (1993).
2.1 Criação de uma baseline
Para efeito de comparação, foram registrados os equipamentos dos testadores (produto/versão/modelo), bem como o programa executor de testes.
Seis amostras do mesmo produto foram utilizadas para a criação da baseline (referência). Cada amostra foi testada dez vezes em seqüência manualmente. Isto é, o dispositivo foi inserido no testador, foi realizado o teste e ao final deste o dispositivo foi retirado e recolocado no testador.
A baseline servirá de comparação com os resultados obtidos ao fim do trabalho, para que seja possível mensurar os ganhos.
2.2 Análise da baseline
Com base nos valores do quadro 1 foi construído um diagrama de Pareto agrupando os passos de testes pelo tempo consumido e mostrando o quão representativo os grupos eram em relação ao tempo de teste total.
Segundo Doty (1996), o diagrama de Pareto consegue ilustrar o conceito dos “poucos vitais e os muitos triviais”, onde os poucos vitais são os fatores que afetam diretamente o resultado final do problema enfrentado. Em média, 20% dos fatores são responsáveis por 80% dos resultados.
Descrição Agrupamento Média de tempo e dos valores retornados de cada passo Por amostra Média do tempo de todo o teste Por amostra Cálculo dos valores médios e do desvio padrão dos tempos e
dos valores Por amostra
Cálculo dos valores médios e do desvio padrão dos tempos e
dos valores Total
Cálculo do índice CPK dos resultados de cada passo de teste Total Quadro 1 - Resultados da baseline
Baseado no diagrama de Pareto (Figura 1), foi possível detectar os passos de testes que tinham a maior representatividade em relação à seqüência de testes. A metodologia de redução de tempo de testes foi implementada apenas nos 18 testes que consumiam aproximadamente 90% do tempo total da seqüência de testes.
Figura 1 – Diagrama de Pareto
2.3 Análise da utilização dos intrumentos
Para se poder analisar a utilização dos instrumentos do testador durante o teste, foi desenvolvido um programa que registrasse o início e o fim de um comando de um instrumento, assim como o nome do instrumento que estava sendo utilizado.
Foi verificado que as funções de registro de utilização de instrumentos consumia aproximadamente 1% do tempo total de teste e que por apresentar uma distribuição homogênea ao longo do teste foi desconsiderada. As funções de registro só iriam ser aplicadas enquanto a metodologia estivesse sendo aplicada. Após a otimização dos tempos essas funções adicionais foram desabilitadas.
A figura 2 mostra a utilização dos instrumentos durante uma seqüencia de teste. A seqüência de teste é a linha lilás superior e quase toda a utilização é feita debaixo dela. Os
poucos comandos que são realizados fora da seqüencia de teste, são comandos de desligar ou reiniciar os aparelhos e são executados após o produto sair do testador, e por isso não foram considerados.
Análises preliminares da utilização dos equipamentos, juntamente com um estudo do código-fonte dos testes que foram realizados, permitiram estimar uma redução de 15% dos tempos de testes.
Figura 2 - Uso dos intrumentos
2.4 Utilização de testes concorrentes
A aquisição de novos testadores é a solução mais óbvia para reduzir o tempo de teste de produção. Aumentando o número de testadores aumenta-se o número de unidades em teste (UUT) e assim a capacidade de lidar com uma maior demanda. Entretanto, segundo Boctor (2005), o aumento de testadores, requer mais espaço no chão de fábrica, um aumento de investimento, mais operadores e mais tempo de manutenção, o que vai totalmente de encontro à necessidade de reduzir custos.
Soluções recentes com testes concorrentes estão conseguindo reduzir o tempo dos testes de produção sem gerar um aumento de custos e espaço, pois usam os mesmos equipamentos de teste, porém reduzindo o tempo significantemente.
Testes concorrentes são testes independentes que são executados simultaneamente em diversas áreas ou módulos de um produto. Assim, seria possível utilizar dois instrumentos que estão disponíveis em um determinado instante t para realizar dois testes que não sejam dependentes, nem que a execução de um teste influencie o outro. A figura 3 mostra uma comparação quando se aplica testes seqüenciais (esquerda) e concorrentes (direita).
Figura 3 – Testes sequenciais e concorrentes
A possibilidade de se executar testes ao mesmo tempo depende então de três fatores: • Os instrumentos de ambos os testes têm que estar disponíveis no momento que os
testes serão executados;
• O Teste1 não pode ser pré-requisito do Teste2 e nem vice-versa;
• A execução do Teste1 não pode interferir no resultado do Teste2 e nem vice-versa. Respeitando-se os fatores descritos e com o código-fonte dos testes à disposição foi possível implementar testes concorrentes com o uso de programação multi-threaded.
Em programação concorrente existem duas unidades principais de excecução: processos e threads.
O processo pode ser entendido como uma tarefa que o computador executa. Como se fosse um aplicativo. Possui recurso próprio alocado pelo sistema operacional, isto é, tem identificador próprio, privilégios e espaço de memória para suas variáveis.
Por sua vez, uma thread é um fluxo único de controle sequencial que é executado dentro de um processo de uma forma independente. Todo processo possui pelo menos uma thread.
Na seqüencia de testes, foi utilizada programação com múltiplas threads (multi-threaded), ou seja, o computador pôde enviar um comando para algum instrumento em uma thread e enquanto o instrumento realizava a operação, o computador estava livre para executar um outro teste.
2.5 Validação
Para comprovar a efetividade do método proposto foram feitos dois estudos: o primeiro para comprovar a eficácia do método, ou seja, se o método foi capaz de reduzir o tempo dos testes de um dispositivo. O segundo estudo foi um estudo de validação e serviu para comprovar que os testes após a otimização de tempos continuaram apresentando os resultados desejados.
Para garantir a validação dos resultados dos testes após a otimização de tempos, foi utilizado o índice Cpk que determina a capacidade do processo.
A capacidade do processo é uma propriedade mensurável de um processo atingir a especificação. Ele compara a saída de um processo controlado com os limites de sua especificação, usando índices de capacidade (Cpk).
Roth (2005) explica que o Cpk é um índice que mostra quão consistente um processo está atingindo sua media. Quanto maior o índice, menor a probabilidade que o processo saia dos limites especificados. O índice de capacidade Cpk é definido pela fórmula:
,
onde LES é o limite de especificação superior, LEI é o limite de especificação inferior e é o desvio padrão da amostra, conforme ilustrado na figura 4.
LES
LEI média
3
Figura 4 – Gráfico Cpk (Adaptado de Spínola, 2007)
Segundo Spínola (2007), se o índice Cpk for menor que 1, o processo é incapaz. Se o Cpk estiver entre 1 e 1.33, o processo tem capacidade média e se o Cpk for maior que 1.33 o processo tem alta capacidade.
3 Análise dos resultados
Após a implementação dos testes concorrentes, foi feita uma medição, utilizando as mesmas condições da baseline. Cada uma das dez amostras foram testadas seis vezes e o quadro 2 mostra os tempos de teste de cada amostra, bem como a media total, antes e depois da otimização.
Analisando os resultados do quadro 2, é possível observar que o tempo dos testes foram reduzidos em mais de 20%. Além disso, a variação dos tempos em relação à média (desvio padrão) não apresentou uma diferença significativa.
Os resultados dos testes após a otimização apresentaram um Cpk maior que 1.33 e apenas um único teste (representando 1.13% de todos os testes) mostrou um Cpk inferior a 1, garantindo a validação dos resultados.
A redução de tempo de testes permitu que fosse feita uma diminuição dos testadores sem que o número de produtos fábricados fosse alterado. Uma economia de dinheiro com equipamentos e partes sobressalentes, além de redução de gastos com reparos, calibração e manutenção foi obtida diretamente com a redução do número de testadores. Indiretamente ainda proporcionou uma diminuição de mão-de-obra para operar os equipamentos e redução do espaço físico da linha de produção.
Os resultados obtidos pelo método proposto foram tão positivos que a empresa decidiu aplicar uma variação desse método em suas diversas fábricas espalhadas pelo mundo e em produtos diferentes.
Amostra Original Otimizada 1 50.35 40.24 2 50.74 39.85 3 49.3 40.01 4 49.9 39.73 5 49.75 39.68 6 49.52 38.84 7 50.05 39.68 8 50.34 40.88 9 49.38 39.43 10 49.33 39.22 Média 49.87 39.76 Stdev 0.5 0.56 Redução N/A 20.27% Quadro 2 – Tempo dos testes
4 Conclusão
A execução de testes concorrentes, provou ser uma técnica bem eficaz de se reduzir o tempo e conseqüentemente os custos do teste
No caso da fase de teste ser o gargalo (throughput), fase que demora mais tempo, o benefício pode ser um aumento de produção inversamente proporcional à redução tempo do teste. Isto é, um menor tempo de teste garante uma maior vazão de produtos.
Se a fase de teste não for o gargalo, ainda assim outros benefícios são obtidos. Com a redução de tempos, é possível retirar estações de teste dessa fase, que ainda assim a fase continuará sem ser o gargalo da linha. Com menos testadores, se vê necessário menos operadores (mão-de-obra), menos manutenção (calibração e reparo de equipamentos) e menos espaço físico ocupado na linha de produção.
O custo da mão-de-obra é um quesito importante em fábricas (filiais) localizadas em países de primeiro mundo, onde o salário do trabalhador é mais oneroso para a empresa.
A redução do espaço físico utilizado pela linha de produção é um objetivo muito buscado pelas empresas atualmente e a área salva pelas fábricas possibilita um aumento de linhas ou estações permitindo que uma maior quantidades de produtos possam ser fabricados sem que seja necessário investimento com novas instalações.
Baseado na decisão da empresa, ainda é possível que sejam realizados testes mais rigorosos e conseqüentemente mais demorados, já que o tempo de execução dos mesmos será reduzido, e por isso não causará grande impacto no tempo total de manufatura do produto, garantindo um aumento da qualidade do produto.
Entretanto aplicar as técnicas de testes concorrentes aumentam o tempo de desenvolvimento do teste, assim como sua complexidade, devido a necessidade do engenheiro de teste ter que se preocupar com a inter-dependência dos testes. Desenvolver ferramentas que automatizem o processo de otimização de tempos da seqüência de testes são muito importantes para que se possa aplicar a técnica de testes concorrentes para todos os produtos.
Uma outra alternativa para os testes concorrentes, são os testes em paralelo que testam dois ou mais dispositivos ao mesmo tempo. Misturando-se testes concorrentes e paralelos ao mesmo tempo pode reduzir ainda mais os tempos de um testes, porém o desenvolvimento de tais testes serão extremamente complexos.
5 Agradecimentos
Deixo expressos meus sinceros agradecimentos às seguintes instituições e pessoas, sem as quais o presente trabalho teria sido impossível:
• Instituto Nokia de Tecnologia, que me possibilitou dedicar tempo e equipamentos para desenvolver e publicar o conteúdo do artigo;
• Nokia do Brasil, pelo uso de suas instalações e equipamentos e por acreditar no projeto de otimização de tempo de testes;
• Ocileide Silva, por todo seu apoio e dedicação.
Referências
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