Processo de design conceitual – Parte 3

Depois de definida a lista de funções e selecionados os melhores princípios de funcionamento, estes devem ser combinados. Esta etapa é chamada de “combinar princípios de trabalho em estruturas de trabalho”. Este artigo discutirá esta nova etapa do projeto conceitual.

Combinando princípios de trabalho em estruturas de trabalho

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

A Figura 1 ilustra um exemplo de equipamento de teste de cilindro. Existem dois extremos na abordagem de design, uma função, um princípio de funcionamento ou um transportador, ou muitas funções e um transportador. A principal diferença entre essas abordagens é que, no primeiro caso, um componente executa uma função, enquanto na segunda abordagem, um componente pode executar diversas funções. A decisão é tomada de acordo com os requisitos do projeto. Geralmente uma função – uma operadora é uma abordagem mais simples e de baixo custo. A razão é que se a peça é simples no que diz respeito a uma função específica, talvez o nível tecnológico do processo de produção também seja mais simples do que o da outra abordagem. No entanto, o número de peças é aumentado. Na verdade, não há prós e contras, porque uma função – um transportador é bom para veículos de produção em massa, uma vez que podem ser desenvolvidas plataformas para uma família de veículos. Por outro lado, muitas funções – um transportador pode fornecer componentes com alta segurança, reduzindo assim o risco de falha. No entanto, as geometrias são complexas que no primeiro caso. Isto significa que são necessários processos de produção modernos e caros. Portanto, é uma questão de custo e tecnologia em vez de vantagens e desvantagens. Para projetos de carros de corrida e de alto desempenho, geralmente é adotada a abordagem de muitas funções – um transportador.

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

A Figura 2 ilustra uma lista de soluções e subfunções. Eles são combinados para criar uma matriz morfológica. Por exemplo, é necessário gerar o movimento de deslizamento em um caminho, então é possível usar a cinemática 3A, o sistema 5B para gerar uma força normal, 1C para uma guia linear, 2D para a medição de força normal, 5E para o medição da força de atrito e 4F para medição de temperatura. Esta matriz permite realizar muitas estruturas de trabalho alternativas e muitas vezes para ter diferentes opções. No final, são geradas muitas combinações de princípios de funcionamento, portanto, muitos conceitos diferentes. No entanto, este processo pode ser feito numa combinação sistemática ou em abordagens de decisão multicritério. De forma sistemática, são consideradas as possibilidades mais promissoras. A quantidade sugerida é de no mínimo 2, com no máximo 3 ou 4 conceitos diferentes. O motivo é ter uma comparação entre as possibilidades. A abordagem de tomada de decisão multicritério é baseada em um software que gera uma espécie de combinações com diferentes conceitos. Isto é útil quando existem muitas alternativas diferentes que devem ser consideradas ou quando o projetista já tem uma ideia muito clara sobre o processo de otimização de qualquer sistema. Contudo, todas as combinações possíveis não são viáveis, uma vez que algumas soluções não são compatíveis entre elas.

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

A Figura 3 ilustra um exemplo de máquina de colheita de batata. Acima dos esquemas está a descrição inicial. Portanto, devem ser fornecidos a energia, os sinais e os materiais, sendo estes últimos as batatas enterradas. A saída são as batatas, as sobras, as folhas e outras partes. Portanto, existe alguma energia que é usada para tal atividade. No esquema há um limite inicial e um esquema funcional, embora muito simplificado. As batatas entram na máquina, estas são levantadas e peneiradas, depois a energia é trocada e as batatas são separadas com outra fonte de energia. Depois disso, as sobras são separadas, em 2 etapas separadas, como pode ser visto na Figura 3. Finalmente, as batatas são classificadas, as que estão acima de um limite definido são rejeitadas e, em seguida, as batatas boas são recolhidas. Como pode ser notado, existem diversas subfunções, estas podem ser analisadas na matriz morfológica ilustrada na Figura 4.

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

Como pode ser visto, existem diferentes sistemas para levantar, peneirar, separar, classificar e recolher as batatas. Como empresa, talvez a equipe de design tenha o know-how para considerar todas as diferentes alternativas disponíveis. Ao final do processo é possível selecionar uma combinação ou mais de uma. Por fim, é possível propor uma síntese do sistema, ou seja, um layout simplificado (Figura 5).

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

No projeto conceitual não é necessário nenhum software CAD, a melhor abordagem é apenas um esboço feito à mão, pois é fácil e rápido de realizar. Existem alguns casos em que a matriz morfológica é substituída por uma lista de soluções para o subproblema de armazenamento ou aceitação de energia. Isso é feito de acordo com o benchmark que pode ser feito no mercado. Os melhores conceitos são investigados no final do projeto conceitual ou no início do projeto de concretização. Portanto, todo conceito deve ser investigado com relação ao custo e aos princípios mecânicos.

Selecionando combinações adequadas

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

Depois de definidos os conceitos elegíveis, é necessário definir uma forma de selecionar as combinações adequadas. O gráfico de seleção tradicional foi discutido nos artigos de planejamento de produtos, na etapa 4, seleção de ideias de produtos. Esta é uma lista de requisitos e variantes (Figura 6). Porém, existem também os esquemas de classificação 2D, que são semelhantes à matriz de compatibilidade.

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

Isto fornece alguns esquemas de classificação, que permitem verificar as combinações adequadas que podem ser consideradas (Figura 7). Esta etapa encerra a parte mais criativa do projeto de engenharia. Assim, o design conceitual é o momento que permite pensar em ideias disruptivas de acordo com o nível de inovação que está definido na proposta do produto.

Firme-se em variantes de soluções principais

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

A sexta etapa é consolidar a solução em esboços ou layout preliminares. Nesta etapa são realizados cálculos aproximados e esboços, não sendo necessária nenhuma simulação ou ferramenta de projeto auxiliado por computador. A melhor abordagem é apenas um dimensionamento muito aproximado dos componentes mais importantes para perceber se as decisões tomadas para resolver o problema estão corretas. No entanto, cálculos aproximados e esboços são suficientes nesta etapa. A vantagem de ter uma descrição matemática do sistema é que é possível explorar muitas possibilidades e modelos diferentes. O ponto interessante desta etapa é que o engenheiro deve ter habilidade para desenhar esboços à mão com uma desenvoltura razoável.

Avalie variantes de solução em relação a critérios técnicos e econômicos

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

A etapa final é aplicar um método sistemático para selecionar a melhor solução. Em alguns casos, avaliar as variantes da solução é uma tarefa difícil. Uma possível razão é que o nível de conceito possível é muito difícil de encontrar um semelhante para comparar.

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.