Processo de design conceitual – Parte 1-1

Após a lista de requisitos e a proposta do produto, inicia-se o processo de design conceitual. Isto está diretamente relacionado ao grau de novidade da solução. Obviamente, este processo é muito importante quando o produto parte do papel branco, mas menos importante quando parte de um produto existente. Existem quatro graus diferentes de inovação em um produto: uma solução inovadora, uma carga de importação, uma inovação e um redimensionamento. Assim, é possível atuar sobre funções ou sobre princípios de ligação. Este primeiro é um aspecto muito importante que deve ser focado.

Abordagem sistemática

FIGURA 1 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

De acordo com a abordagem sistemática existe uma lista de etapas a serem aplicadas durante o projeto conceitual. A Figura 1 ilustra esta lista que especifica as principais soluções pelas seguintes etapas: identificação dos problemas essenciais, estabelecimento das estruturas funcionais, busca de princípios de funcionamento apropriados, combinação de princípios de funcionamento em uma estrutura de trabalho, seleção de combinações adequadas, consolidação em variantes de soluções principais e avaliando variantes de solução em relação a critérios técnicos e econômicos. O ponto importante nessa parte é entender que, no início desse processo, o foco está nas funções. Mesmo que o processo comece a partir de uma solução existente, a questão importante é “qual a função satisfeita por tal estrutura, subsistema ou determinado grupo de componentes?”. Nesse caso, é útil separar a função como produto e a maneira como essa função é desempenhada no sistema. O segundo passo é perceber a melhor abordagem para satisfazer tal função. Conseqüentemente, as outras duas ideias importantes do projeto conceitual são como selecionar entre diferentes alternativas possíveis e como avaliá-las. Estas são as ideias mais importantes nesta parte.

Abstrair para identificar os problemas essenciais

FIGURA 2 – Fonte: Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

O primeiro passo é a abstração, mas o ponto principal é manter o foco no cerne da tarefa (Figura 2). Ao partir de um novo sistema, a grande dúvida é a função que este deverá satisfazer. Esta abordagem está naturalmente aberta à inovação, uma vez que “esquece” como fazê-la. Na verdade, está focado apenas no que deve ser feito. Por exemplo, para resolver um problema, às vezes a solução é solicitada a uma pessoa externa ao processo, em vez de a um engenheiro muito especializado. Normalmente, quem está de fora não sabe que o problema não tem solução. A razão é que, se o engenheiro responsável permanecer focado na solução existente, ele não poderá ter nenhum ponto de vista lateral em relação ao problema. Porém, se o problema for apresentado a uma pessoa não especialista, é mais fácil encontrar uma solução compensatória para o problema. O processo de abstração possui algumas etapas ou boas práticas. Primeiro, para eliminar preferências pessoais e depois omitir requisitos que não tenham relação direta com a função, tentando assim secar a descrição do problema. Para transformar requisitos quantitativos em qualitativos, é exatamente esse o controle feito na lista de requisitos. Portanto, reduzi-las a afirmações essenciais. Na medida em que é proposital generalizar os resultados da etapa anterior e formular o problema como uma solução de forma neutra. Uma vez definido este, será a função geral do produto.

FIGURA 3 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Isso se torna uma caixa preta, que terá entradas especificadas com as respectivas saídas. Isso é chamado de sistemas de engenharia. Porém, ampliando isso para uma abordagem mais técnica, percebe-se que as entradas e saídas são reduzidas a três, que são energia, materiais e sinais. No final das contas, o processo é basicamente uma variação desses aspectos. Todo o processo técnico pode ser descrito desta forma.

FIGURA 4 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Os processos técnicos podem ser divididos em estáticos e dinâmicos, cuja diferença entre eles é a variação no tempo, que ocorre no segundo caso. Um processo técnico estático é caracterizado pelas entradas e saídas fixas uma vez definida a função. De acordo com o processo técnico, existe o sistema técnico que o relaciona com a solução pelos aspectos máquina, aparelho e dispositivo. Assim, quando o processo técnico se baseia principalmente numa troca ou transformação de energia, este trata-se de máquinas. Quando a transformação mais importante diz respeito a materiais, este é considerado um aparelho. Finalmente, se a transformação for sobre sinais, o sistema técnico é definido como um dispositivo.

Estabelecendo estruturas funcionais

FIGURA 5 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

O próximo passo é a criação da descrição funcional da peça. Para qualquer função geral, existem algumas subfunções. Na verdade, esta é uma abordagem científica para problemas complexos, que se subdivide em problemas mais simples. No entanto, é importante ter o conhecimento da definição de uma função técnica e de um sistema técnico. Uma vez que haja uma descrição clara da função, é possível perceber maneiras de adicionar ou alterar funções da descrição. Quando está sendo adicionado ou alterado o sistema, isso é feito para ter o melhor sistema para obter determinada função.

Estudo de caso 1 – Acoplamento de máquinas

FIGURA 6 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

A Figura 6 ilustra uma máquina. Na verdade, este é um exemplo de caixa preta, portanto existe um dos três tipos de entradas e saídas, como energia, material e sinal. Embora esta caixa preta não seja aquela com entrada e saída de materiais, é tudo uma questão de energia. Como pode ser visto na Figura 6, o desenho é de uma unidade de acoplamento, onde é possível visualizar dois eixos [K, I], discos de fricção [E] e uma alavanca [G]. Portanto, a entrada de energia é a de torque. O resultante será uma saída, que também é torque. Além disso, será gerado um output representado pela energia perdida no sistema. Outra entrada no eixo esquerdo é a de sinal, pois o eixo pode estar sob torque ou não, portanto sinal. A parte representada pela letra I corresponde a uma chave mecânica que aciona a alavanca [G], portanto é necessária uma entrada de energia para movê-la. Portanto, este acoplamento possui 2 entradas de energia, 2 entradas de sinal, 2 saídas de energia e 1 saída de sinal.

FIGURA 7 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Porém, é possível notar que o eixo esquerdo possui algumas características tecnológicas, como uma chaveta (Figura 7). Assim, é possível entender que existe outro caminho energético. A chaveta é utilizada para transferir o torque do eixo para um cubo [B], assim a energia é transmitida para a parte externa do componente [C] através de [B]. Porém, também é possível notar que a seção transversal do componente [B] possui gráfico diferente, portanto é feito de outro material. Este é algum tipo de polímero. O objetivo é garantir duas funções, transmissão de torque e absorção de vibrações. Existe também a possibilidade de transmissão de torque e absorção de vibrações, mas com algum grau de liberdade para desalinhamentos. Assim, a energia é transmitida do eixo para o cubo e deste para a segunda parte do acoplamento (Figura 8).

FIGURA 8 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Agora está bem estabelecido que este acoplamento tem uma subdivisão clara da função principal em duas subfunções. Além disso, há também a divisão de todo o sistema em dois subsistemas. Estes podem ser denominados como acoplamento flexível e embreagem, conforme visto na Figura 8. Assim, é possível notar que para realizar algumas funções são necessários alguns componentes. Por exemplo, a função de acoplamento flexível requer um acoplamento de polímero. No caso da embreagem, os componentes são os discos, a alavanca e o interruptor mecânico. Este move e aciona a alavanca, para que haja um contato plano com o grupo de discos de fricção (Figura 8). O contato plano pode gerar muito atrito. Para reduzir isto, pode-se adotar uma esfera de contatos cilíndricos. A diferença entre eles é que um tem o contato concentrado em um ponto, enquanto o outro o contato é distribuído ao longo de uma linha (Figura 8). A melhor solução para este caso requer mais informações sobre este projeto. Outro detalhe importante diz respeito ao acionamento da embreagem. Isto é feito pelo contato entre a alavanca e o interruptor. Isto é intermediado por um came na extremidade da alavanca. Além disso a alavanca possui uma mola, que proporciona o retorno da alavanca à posição stand-by e, principalmente, garante o contato contínuo entre o came e a chave. Portanto, esta análise de um sistema existente e dos diferentes subsistemas requer uma conversão da informação discutida anteriormente, uma solução de design, uma forma específica de executar algo, na satisfação de uma função.

FIGURA 9 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

A Figura 9 ilustra que são necessárias 2 entradas para 1 saída. Além disso, é possível perceber que, em termos de soluções mecânicas, há uma quantidade limitada delas para satisfazer o funcionamento geral. A razão é que cada componente mecânico possui uma quantidade limitada de funções. Por exemplo, um eixo, para transmitir torque, um rolamento, para apoiar e localizar e uma junta para vedar. Outro exemplo é uma chave, usada neste exemplo. As teclas têm a função de conectar componentes para transmitir movimentos. Normalmente, estes transmitem esses movimentos através da sua área lateral. Portanto, é possível atualizar a função geral para “converter a força atuante em uma força normal maior atuando na superfície de atrito”. A próxima etapa deste processo é a criação da descrição da função, pois uma vez feita isso é possível encontrar diferentes sistemas para realizar as funções. Em seguida, são criados arquétipos de soluções.

Caso de estudo 2 – Medidor do tanque de combustível

FIGURA 10 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

Conforme descrito anteriormente, existem algumas técnicas que podem ser usadas para refinar uma estrutura funcional a partir de um white paper ou de um sistema existente. Portanto, tomando o exemplo do medidor do tanque de combustível, a função geral é armazenar líquido. Como pode ser visto na Figura 10, o principal insumo é material, enquanto o principal produto também é material. Este tipo de sistema é um aparelho. Outro detalhe importante sobre a função é a descrição. Normalmente, um verbo e um nome são usados para definir a função, daí a transformação ou atividades que é sujeito e verbo. Após a entrada e saída do material, é gerado um sinal para medir e indicar a quantidade de combustível. Portanto, duas funções dentro da mesma medida e indicação. Todo verbo é uma função. Este conceito corresponde a um sistema técnico, que possui duas partes distintas, o sistema de líquido (tanque) e o sistema de medição (medidor de combustível).

FIGURA 11 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

A Figura 11 ilustra uma investigação realizada sobre a função geral do medidor de combustível, por ser a parte relacionada a um sistema técnico. Esse processo está basicamente descrito no início deste tópico, que identifica as principais subfunções. Numa primeira subdivisão, esta função é subdividida em sinal de recepção, sinal de canal e sinal de indicação. Este é basicamente o processo de receber, transmitir e mostrar o sinal. Porém, este sinal não é utilizado de forma pura, geralmente há alguma filtragem para evitar ruídos. Portanto, uma segunda etapa da definição da subfunção é incluir uma mudança de sinal (Figura 11). Na terceira etapa verifica-se que existem alguns requisitos adicionais. Assim, são adicionadas algumas funções auxiliares, que são utilizadas para completar a descrição do sistema. Existe um conjunto de funções auxiliares típicas pré-definidas para serem utilizadas como suporte à função principal. Geralmente são “sinal de ajuste”, “sinal de armazenamento” e “sinal de medição”. Estes são exemplos comumente aplicados para completar o esquema. No caso da terceira etapa, é importante ajustar o sinal antes de recebê-lo.

FIGURA 12 – Fonte: G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.

A Figura 12 ilustra etapas posteriores deste processo, onde foi identificada a necessidade de fornecimento de energia externa, conforme visto na sexta etapa. O ponto importante nesta parte do processo é a definição da fronteira do sistema. A razão é que existem subfunções que não são as principais. Portanto, é útil definir um limite de interesse, que possa considerar uma solução inteira ou apenas parte dela. Na verdade, esse limite é uma decisão de projeto, portanto não existe uma regra para isso. O único requisito é que este seja bem claro para permitir o perfeito entendimento pelas demais equipes de design. Na sétima etapa é possível perceber que a subfunção é a lista de requisitos para outra equipe. Além disso, a equipe responsável pela fronteira de interesse ilustrada na Figura 12 é a que fornecerá o requisito para a equipe responsável pela subfunção “fornecer energia externa”. Assim, é possível perceber que seu processo cria uma espécie de networking entre as equipes de design para o desenvolvimento de uma solução. Este processo é interessante porque permite considerar algumas alternativas a esta descrição funcional. Conseqüentemente, é possível ter conceitos diferentes, uma vez que diferentes descrições funcionais resultam em conceitos diferentes.

Referências

  1. K.T. Ulrich, S.D. Eppinger, Product Design and development, Mcgraw-Hill, 2019;
  2. G. Pahl, W. Beitz, J. Feldhusen, K.H. Grote. Engineering Design – A Systematic Approach. Springer, 2007.