Processo de design de incorporação – Parte 3-2

A última parte do desenho da concretização assenta em três pilares, a clareza, a simplicidade e a segurança da solução proposta. Estas são regras básicas ao projetar. Este artigo abordará as regras básicas de simplicidade e segurança.

Simplicidade

O termo simplicidade refere-se a algo que não é complexo, é trivial, é facilmente compreendido e feito. Quanto às peças, estas podem ser caracterizadas como simples se forem de fácil fabricação. Conseqüentemente, componentes simples reduzem custos. Além disso, a manutenção e o risco de falhas também são reduzidos. Este conceito também pode ser expandido para formas. Geometrias simples e, quando possível, formas simétricas são boas práticas que devem ser sempre aplicadas.

Disposição

A simetria não só simplifica a forma, mas também o cálculo da peça, pois é muito fácil entender o caminho da carga em peças simétricas. Consequentemente, também é fácil compreender quando a solução proposta não é equilibrada. Conseqüentemente, uma parte simétrica é sempre melhor do que uma assimétrica.

Ergonomia

Deve-se garantir que a operação da peça seja fácil e intuitiva, que o layout seja claro e que os sinais sejam facilmente compreensíveis.

Produção e controle de qualidade

A simplificação do projeto é importante, pois permite a aplicação de métodos bem estabelecidos e que economizam tempo. Conseqüentemente, os processos de fabricação são minimizados, têm tempos de preparação e espera curtos. Além disso, as formas minimizadas facilitam os processos de inspeção.

Exemplos

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

Considerando os layouts das válvulas de controle da Figura 1, do layout 1 ao layout 4, se for realizada uma comparação entre eles, é possível notar que o layout 1 é otimizado do ponto de vista de desempenho e de fabricação. A razão é que existe apenas um processo de fabricação primário: a fundição. Além disso, talvez seja necessário realizar alguma usinagem em superfícies funcionais. Assim, é possível reduzir as dimensões gerais da peça, uma vez que seu layout foi otimizado. No layout 4, todo o componente foi subdividido em subpartes. Neste caso, o processo é fácil de ser realizado, embora estas subpeças possam ser obtidas no mercado e possam exigir algum pré-trabalho devido ao seu estado padrão. Esta abordagem permite reduzir o custo de fabricação de cada peça, mas o custo da montagem aumenta. Na verdade, é difícil otimizar o layout do ponto de vista dimensional. Portanto, do layout 1 ao layout 4, existem duas abordagens diferentes para a mesma função, estas iniciadas a partir da mesma descrição de função, mas finalizadas com modalidades diferentes. O conceito é o mesmo, mas a concretização é diferente. Ao final, há uma abordagem baseada na otimização do desempenho (Figura 1 – Layout 1). Por outro lado, existe outra abordagem baseada na simplificação de partes. O custo é um equilíbrio que deve ser calculado para ambas as soluções. No meio destas duas soluções, existem os layouts 2 e 3 que são compromissos entre esses extremos.

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

A Figura 2 ilustra mecanismos utilizados para manusear uma torneira misturadora de água, sendo então possível selecionar entre água quente e fria e a mistura das mesmas. O primeiro layout (Figura 2 – Esquerda) possui um certo número de componentes, que são relacionados por pivôs e alavancas. Cada componente é fácil de fabricar, mas o layout geral é caro de fazer, difícil de limpar e não é esteticamente agradável. Portanto, pode ser melhorado. Por exemplo, a complexidade da alavanca é melhorada, pelo que será mais complexo realizar este componente. No entanto, o número de conexões e o número total de peças foram reduzidos. Como resultado, o efeito estatístico da alavanca pode ser melhorado. Portanto, uma abordagem diferente de concretização, mas com a mesma função do ponto de vista conceitual.

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

A Figura 3 ilustra um exemplo de montagem e transporte. Uma das funcionalidades é realizar o ajuste da posição relativa entre as duas partes. Isto é bastante útil quando a montagem envolve peças grandes. Nestes casos, às vezes há a decisão sobre o que fazer quando se espera um grande erro por parte do fabricante da peça. Este pode ser o ajuste da posição relativa das peças após a montagem, ao invés de aumentar a precisão de cada peça. Portanto, a decisão é melhorar a precisão, a fim de reduzir a variabilidade geral do processo, ou ter algumas características na montagem que possam ser ajustadas. Essa decisão é comum na área automotiva no processo de montagem de carrocerias. A abordagem ajustável é utilizada em casos com baixo número de peças ou produtos, mas não é viável para um grande número de peças como em veículos produzidos em massa, por exemplo.

Segurança

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

Quanto à segurança de um sistema, esta é considerada no que diz respeito às funções técnicas, proteções humanas e ambientais. Esses dois referem-se a trabalhadores e usuários. Do ponto de vista ambiental, existem três níveis de segurança, o direto, o indireto e os avisos. A primeira está relacionada às escolhas de projeto, enquanto a segurança indireta trata da utilização de qualquer proteção para o sistema. Os avisos são uma abordagem para os casos em que existem dois ou mais níveis de interação com o sistema. Para algumas empresas, a segurança era uma questão de custo. Porém, isso é considerado um investimento por muitos analistas, engenheiros, professores, gestores e outras empresas. Considerando o número do risco como uma ideia, existem três pilares, a probabilidade, o impacto e a detectabilidade de uma falha. Após uma falha de impacto relevante, esta terá um custo global superior ao investimento feito em segurança no início. As técnicas utilizadas para avaliar o risco de falha são FTA ou FMEA.

Direto

A segurança direta também possui três abordagens diferentes, a vida segura, a segurança contra falhas e os princípios de redundância. Se o requisito de um produto demonstrar que este não deve falhar durante o seu ciclo de vida, o princípio de vida segura deverá ser aplicado. O fail safe considera a possibilidade de ocorrer uma falha, mas seu impacto é reduzido. O princípio da redundância considera a possibilidade de ocorrer uma falha, mas o sistema é projetado de forma a não afetar seu funcionamento. Normalmente, neste caso, existe um sistema secundário que fornece o suporte adequado.

Princípio de vida segura

O princípio da vida segura exige um fator de segurança adequado para isso. No entanto, isto requer uma compreensão clara e profunda dos princípios físicos da vida útil e das condições operacionais. Em outras palavras, são necessários cálculos e simulações adequadas. O princípio da vida segura geralmente resulta no aumento das dimensões das peças ou na utilização de materiais que ofereçam melhor desempenho. Conseqüentemente, o princípio da vida segura exige uma grande experiência do engenheiro. No entanto, é caro e demorado, uma vez que esses cálculos são longos. Esta abordagem é crítica, pois trabalha na redução de falhas, a fim de reduzir o risco do número de falhas.

Princípio de segurança contra falhas

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

A segunda abordagem é o princípio de segurança contra falhas, que atua no impacto da falha do sistema. O objetivo é não haver nenhum impacto inesperado ou grande de uma falha durante a operação do sistema. Por exemplo, a seleção do rolamento pode ser considerada como um princípio de segurança contra falhas. Estes são dimensionados para uma determinada carga e ciclo de vida. Se estes forem utilizados dentro dessas restrições, talvez seja possível garantir a segurança do sistema. Caso contrário, eles estão sendo aplicados em uma condição pronta para uso. Outro exemplo é ilustrado na Figura 5. Existem três opções, mas apenas duas são consideradas melhores em relação à primeira. Estas são as possíveis conexões roda-cubo. Primeiro ponto, as vibrações podem desapertar o parafuso. Assim, as soluções possíveis propõem diferentes formas de manter o parafuso na sua posição. Como pode ser observado, as soluções 1 e 2 diferem no formato da carcaça, portanto para manter o parafuso dentro da carcaça o custo do componente aumentará. A razão é que a complexidade do componente aumentará. Isto é contra o princípio da simplicidade. Além disso, a solução 2 também requer considerar um procedimento de montagem, uma vez que existem peças A, B, C e D. A terceira solução é a melhor, pois é um compromisso entre as soluções 1 e 2. A caixa tem um design mais simples. forma do que as outras soluções. Embora seja adicionado outro componente, a exatidão e precisão da montagem não são tão amplas de acordo com o projeto. Além disso, é possível utilizar um processo de brasagem ou soldagem para adicionar esta peça.

Redundância

Basicamente, a redundância pode ser classificada em ativa, passiva ou principal. Um bom exemplo ou redundância são os motores de aeronaves. Por exemplo, o voo ideal é com 2 motores em funcionamento, mas estes são dimensionados de forma a permitir um voo razoável em casos de falha de um motor. Isso é chamado de redundância ativa. No entanto, estes motores devem ser sobredimensionados em relação a um requisito mínimo. A redundância passiva, neste caso, seria caracterizada pelo acionamento do segundo motor caso o primeiro falhasse. Portanto, eles não funcionam em paralelo. Nesta abordagem talvez esses motores não possam ser superdimensionados. Porém, uma vez que o primeiro motor falhe, é necessário que o segundo dê partida assim que for solicitado. Portanto, é necessário um procedimento de verificação deste motor para garantir o seu funcionamento quando solicitado. Na redundância ativa este motor estará funcionando, portanto não há razão para este procedimento extra. A principal redundância é a possibilidade de basear uma solução secundária num funcionamento diferente da primeira. Portanto, é possível aplicar a redundância principal tanto para redundâncias ativas quanto para passivas. Por exemplo, um destes motores é solar e o outro é diesel. Isto proporciona continuidade de operação mesmo em casos sem voo solar.

Indireto

A segurança indireta baseia-se em sistemas, dispositivos e barreiras proativas. O primeiro reage quando ocorre um perigo. A estrutura dos sistemas de proteção é baseada em uma entrada, que é a ocorrência do perigo. O transforma isso em uma saída, que afasta esse perigo. Os dispositivos de proteção são uma forma intrínseca de evitar qualquer falha. Ele faz isso sem transformar sinais. As barreiras protetoras são apenas a proteção dos componentes.

Auto-monitoramento

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

Uma abordagem interessante para a segurança indireta é a do automonitoramento. Este é o projeto de um sistema com o objetivo de reduzir a ocorrência de um problema, o sistema está intrinsecamente protegido. Por exemplo, em uma tubulação submetida a uma pressão específica, existe uma válvula de segurança. Isto se baseia em uma mola, que estabelece um limite, e em uma massa. A válvula de segurança normalmente está fechada, conforme pode ser visto na Figura 6. A garantia do fechamento da válvula é a mola, a massa e a força da gravidade. No caso de um aumento de pressão que ultrapasse o limite da válvula, a mola, a massa e as forças da gravidade são vencidas, assim o tubo é aberto a pressão é reduzida. Após atingir o limite inferior, a válvula retorna à sua posição de espera. Este é um design intrinsecamente seguro.

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

Outro bom exemplo é o circuito hidráulico visto na Figura 7. Neste caso o princípio é o mesmo, que é a manutenção de uma determinada posição. Isto é feito por forças normais que atuam no sistema. O automonitoramento é a capacidade do sistema de mudar, equilibrar-se e retornar à sua condição inicial ao final do evento.

Bi-estabilidade

Na abordagem de segurança indireta existem dois limites que o sistema pode atingir. Isso ocorre quando se passa da condição de equilíbrio para um determinado estado e para outro, que é o oposto do anterior. Porém, o sistema não consegue retornar à sua condição inicial. Por exemplo, um relé em um circuito elétrico é um exemplo de biestabilidade. Quando há um pico de corrente, o relé quebra e a única maneira de restabelecer o circuito é alterando-o. Portanto, não há situação intermediária entre os dois limites. Isto também pode ser aplicado a componentes mecânicos. Por exemplo, uma peça que quebra quando ocorre um pico de carga. Quando isso ocorre a operação do sistema é interrompida e só poderá ser restabelecida após a substituição da peça. Esta abordagem é segura, pois para reiniciar o sistema deve ser realizada uma ação direta.

Projeto para segurança

Esta abordagem baseia-se na aplicação de alguns controles específicos na lista de pontos como fator de segurança, tenacidade do material, deformação elástica, estabilidade, ressonâncias, expansões térmicas, desgaste e corrosão. Além disso, há também ergonomia e segurança para os trabalhadores.

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.