XXXII ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO
Desenvolvimento Sustentável e Responsabilidade Social: As Contribuições da Engenharia de Produção
Bento Gonçalves, RS, Brasil, 15 a 18 de outubro de 2012.
ESTUDO DE APLICAÇÃO DO MÉTODO
SMED PARA REDUÇÃO DO TEMPO DE
SETUP EM MÁQUINAS INJETORAS DE
TERMOPLÁSTICOS COM SUPORTE DE
SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL
Fernando Cachuf Carnovali (UFSCar)
[email protected]
Roberto Peres de lima Filho (UFSCar)
[email protected]
Yuri Rodrigues dos Santos (UFSCar)
[email protected]
Joao Eduardo Azevedo Ramos da Silva (UFSCar)
[email protected]
Este estudo trata da redução dos tempos de setup para trocas de
ferramentas em máquinas injetoras de polímeros termoplásticos, no
qual aplicou-se o método SMED (Single Minute Exchange of Die) para
alcançar este objetivo. Complementarmente, para verificar o impacto
da redução do tempo de setup em outros setores da produção,
elaborou-se um modelo de simulação para representar o sistema
produtivo e comparar o seu desempenho antes e após as modificações
propostas para o sistema. O desempenho dos dois horizontes
produtivos foi comparado com base em parâmetros operacionais como
a quantidade de itens produzidos, tempos de fila, percentual de
ocupação de recursos e os ganhos obtidos com o próprio processo de
setup para a troca de ferramentas.
Palavras-chaves: Setup, SMED, Simulação
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1. Introdução
O Lean Manufacturing ou Manufatura Enxuta, filosofia presente no Sistema Toyota de
Produção (STP), tem como objetivo principal a eliminação de desperdícios. Para que os
objetivos desse sistema de produção sejam atingidos, diversas técnicas foram desenvolvidas,
como, por exemplo, o sistema puxado de manufatura, a produção em pequenos lotes, a
redução de estoques, a troca rápida de ferramentas e uma série de ferramentas para a gestão da
qualidade.
A redução dos tempos de setup pode promover melhorias nos sistemas produtivos em
reduções de estoques, de retrabalho dos produtos e de ociosidade das máquinas
(FOGLIATTO; FAGUNDES, 2003). Uma técnica apontada em diversos experimentos para
atingir este objetivo é o método SMED (Single Minute Exchange of Die).
O objetivo deste trabalho é mostrar a aplicação do método SMED para reduzir os tempos de
setup em uma empresa de injeção de termoplásticos e o impacto da modificação deste
processo em outros setores da empresa estudada. Para obter tais conclusões, foi necessário
estimar como o sistema produtivo passaria a funcionar após a aplicação do método SMED, o
que foi feito por meio de modelagem e simulação.
O desenvolvimento de um modelo de simulação, representando os dois horizontes, atual e
futuro do processo, foi a solução encontrada para apontar as melhorias sistêmicas causadas
pela redução do tempo de setup. A execução do modelo, sem a necessidade de promover
alterações no processo produtivo real, foi capaz de antecipar o desempenho do sistema em um
ambiente controlado e quantificar os ganhos das mudanças efetuadas por meio de índices de
desempenho operacional.
2. Revisão da literatura
2.1. Lean manufacturing
Lean manufacturing, ou manufatura enxuta é uma filosofia operacional que, segundo Shingo
(1985) busca identificar perdas e minimizá-las ou eliminá-las, bem como reduzir no máximo
possível os custos de produção.
A manufatura enxuta foi criada pela empresa Toyota no Japão, no período pós-guerra. Para
Womack, Jones e Ross (1992), o mérito da indústria japonesa está em não ter agregado o
enfoque da produção em massa, que predominava nos EUA. A situação do Japão neste
período não permitia que seguisse o modelo de produção em massa, já que o país não podia
desperdiçar matérias-primas com produtos defeituosos, tampouco ter capital parado em
grandes estoques. De acordo com Maximiano (2002), a cultura organizacional é de fato muito
importante para a aplicação da produção enxuta. A cultura japonesa, por ser mais
disciplinada, facilitou criar este modelo, bem como promover sua melhoria contínua, e o
desenvolvimento de diversos programas de qualidade.
A produção em massa tinha foco na fabricação de grandes volumes de itens iguais. Para isso,
o trabalho era padronizado, executado por uma mão de obra pouco qualificada e com salários
baixos, onde altos estoques eram formados. A eficiência do modelo taylorista-fordista passou
a ser questionada em relação aos resultados apresentados pelo Lean Manufacturing, em que o
trabalhador é mais especializado e, assim, diferentes produtos poderiam ser fabricados na
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mesma configuração produtiva. Com uma maior atuação da mão de obra, desperdícios na
produção e refugos e retrabalhos foram reduzidos. Com tal comprometimento dos
trabalhadores, ocorreu também redução dos lotes de fabricação, lead time e estoques
(SHINGO, 1985).
A produção enxuta, portanto, surgiu no setor automotivo, e se espalhou para os outros
segmentos. Aliada aos programas de qualidade e à dinâmica atual do mercado, as empresas
têm como objetivo minimizar seus custos, utilizando métodos do Lean Manufacturing para se
manterem competitivas no mercado.
2.2. SMED
O método proposto por Shingo (1985), o SMED (Single Minute Exchange of Die), consiste
em reduzir o tempo de preparação (setup) em um número de minutos de no máximo um
dígito, ou seja, inferior a 10 minutos. Assim, o SMED é um método para atingir a troca rápida
de ferramentas (TRF), e diminuir o tempo de preparação. “Todo o tempo de setup que exercer
a um dígito de minuto é um desperdício.” (SHINGO, 1985). Tempo de setup é definido como
o tempo decorrido na troca do processo da produção de um lote até a produção da primeira
peça boa do próximo lote (SLACK et al., 2002). Para Shingo (2000), o tempo de setup é
fragmentado em dois, sendo estes:
- Setup interno, se refere às operações que somente podem ser realizadas quando a
máquina estiver parada.
- Setup externo, se refere às operações que podem ser realizadas enquanto a máquina
ainda está em operação.
Shingo (2000) lista estágios sequenciais para a melhoria do setup, resumidamente descritos na
Tabela 1.
Estágio
Descrição
Inicial
Consiste na coleta dos tempos de todas as atividades envolvidas no setup, não se
distinguindo setup externo de interno. Para isso, propõe-se uma análise contínua da
produção com o auxílio de um cronômetro. Complementarmente, para uma análise mais
efetiva, pode ser utilizado o método de filmar toda operação de setup.
Separação
das
operações
de
setup interno e
externo.
Consiste em organizar quais são as atividades realizadas com a máquina parada e quais as
exercidas quando a máquina está em funcionamento. Por isso, esta etapa é dita como
passaporte para atingir o SMED.
Conversão
de
setup interno em
externo.
Análise de quais setups internos podem ser transformados em externos. Para isso, as
possíveis soluções devem ser detalhadamente examinadas, encontrando meios para esta
conversão. A inovação é uma importante forma de se esquivar de ações tradicionalistas na
produção.
Racionalização
das operações de
setup.
Promover a melhoria sistemática de cada operação básica do setup interno e externo,
buscando a melhoria contínua. É neste estágio que se alcança a cada melhoria os menores
tempos de setup.
Tabela 1 – Estágios para a melhoria do tempo de setup
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2.3. Simulação de Sistemas
Segundo Paragon (2008), a técnica de simulação pode ser considerada um meio para a
representação de sistemas através de um modelo onde elementos estáticos formam um
ambiente bem definido com suas regras e propriedades, interagindo com elementos dinâmicos
que fluem dentro desse ambiente. Os elementos estáticos são os próprios recursos da empresa,
enquanto as matérias-primas que serão transformadas em produtos finais são os elementos
dinâmicos.
O termo simulação pode ser classificado em duas grandes categorias: a simulação
computacional e a simulação não computacional. A simulação computacional é aquela que
necessita de um computador para ser realizada, por meio de um modelo elaborado com
recursos de informática. Já a simulação não computacional considera o uso de modelos
físicos; por exemplo, um projetista utilizando um protótipo em escala reduzida de uma
aeronave em um túnel de vento. (CHWIF & MEDINA, 2006). Segundo estes autores, o
desenvolvimento de um modelo de simulação compõe-se de três grandes etapas:
- Conformação ou formulação do modelo;
- Implementação do modelo;
- Análises e resultados do modelo.
Na primeira etapa, o analista de simulação deve entender claramente o sistema a ser simulado
e seus objetivos, através da discussão do problema com especialistas. Deve-se decidir qual
será o escopo do modelo, suas hipóteses e o seu nível de detalhamento. Os dados de entrada
também são coletados nessa fase. Finalizada a etapa de concepção, o modelo que está na
mente do analista (modelo abstrato) deve ser representado de acordo com alguma técnica a
fim de torná-lo um modelo conceitual, de modo que outras pessoas envolvidas no projeto
possam entendê-lo.
Na segunda etapa, o modelo conceitual é convertido em um modelo computacional através do
uso de alguma linguagem de simulação. O modelo computacional implementado deve ser
comparado ao modelo conceitual, com a finalidade de avaliar se a sua operação atende ao que
foi estabelecido na etapa anterior. Testes devem ser gerados para a validação do modelo
computacional, observando se o modelo é uma representação precisa da realidade.
Na terceira etapa, o modelo computacional está pronto para a realização dos experimentos,
quando são efetuadas várias “rodadas” do modelo e os resultados da simulação são
analisados. A partir dos resultados, conclusões e recomendações sobre o sistema são geradas.
Caso necessário, se o resultado da simulação não for satisfatório, o modelo pode ser
modificado, e esse ciclo é reiniciado.
Uma das principais vantagens da simulação é a possibilidade de testar mudanças no sistema
sem que para isso sejam gastos recursos financeiros para implementação. A simulação
permite que os gargalos do sistema sejam encontrados e superados. Portando, devido ao fato
de a simulação possibilitar uma melhor visão do sistema, ela é uma importante ferramenta de
análise e auxílio para resolução de problemas e para teste de inovações do sistema.
4. Metodologia
4
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Este trabalho possui abordagem quantitativa, uma vez que as opiniões e informações são
traduzidas em números para serem classificadas e analisadas, utilizando técnicas estatísticas
(RODRIGUES, 2007).
Como método de pesquisa, utilizou-se a modelagem e simulação. A modelagem compreende
o uso de técnicas matemáticas utilizadas para descrever o funcionamento de um sistema ou
parte de um sistema produtivo (BERTO; NAKANO, 2000). Complementarmente, a simulação
emprega técnicas computacionais para simular a operação de sistemas produtivos, baseada em
um conjunto de variáveis em dado domínio, de forma a investigar a relação causal e
quantitativa entre essas variáveis (BERTRAND; FRANSOO, 2002).
Os processos produtivos da empresa utilizada como referência foram modelados no software
Arena, que combina recursos de programação dos processos produtivos com suporte de
animações gráficas e ferramentas estatísticas que auxiliam o tratamento de dados e a análise
de resultados. Este software surgiu com a junção de dois programas: SIMAN e CINEMA. O
SIMAN é uma linguagem de programação que deu nome ao primeiro programa de simulação
para computadores pessoais (PCs) enquanto o CINEMA foi o primeiro programa para
animação de simulação em PCs (PRADO, 1999).
Para o estudo de redução do tempo de setup, foi modelado o processo produtivo de uma
empresa, composto por nove estações, nas quais apenas o processo de injeção plástica foi
analisado quanto à redução do tempo de setup. O modelo desenvolvido foi capaz de auxiliar
as análises comparando o sistema antes e após a redução do setup pelo método SMED.
Foram realizadas três visitas técnicas, nas quais levantou-se dados para a caracterização da
empresa e seus processos produtivos. Foram coletados dados reais junto à produção e assim
mapeou-se as atividades envolvidas na troca de moldes entre lotes de produtos diferentes. Os
tempos foram registrados em ciclos, ou seja, foram marcados os tempos de cada atividade que
forma o setup entre produzir o último item de um ciclo anterior, até produzir o primeiro item
conforme no ciclo seguinte.
Na aplicação do método SMED, ao ser necessário alterar os procedimentos de setup,
solicitou-se ao operador para seguir os novos procedimentos, quando os novos tempos das
operações que formam o setup foram novamente registrados. Com todos os dados coletados e
calculados em mãos, foi possível tirar conclusões interessantes, e também observar como o
sistema melhorou, e como as melhorias em uma área afetaram outras áreas da fábrica,
validando-se assim o método SMED na prática.
5. Descrição da empresa utilizada como referência
O estudo de caso foi realizado em uma empresa de injeção de polímeros termoplásticos, cujo
foco principal é a fabricação de produtos de utilidade doméstica. Trata-se de uma indústria
com gestão familiar, de pequeno porte, localizada na zona leste da cidade de São Paulo. Sua
estrutura física cresceu desordenadamente com os negócios, porém atualmente, a demanda
por seus produtos é maior do que os recursos fabris disponíveis. Com isso, ferramentas que
possibilitem reduzir o tempo de setup das máquinas mostram-se como solução para tornar a
produção mais flexível e com rápida resposta ao aumento de demanda.
A empresa possui 9 injetoras e 70 funcionários e a programação da produção nestas máquinas
é vital para que a empresa consiga satisfazer seus clientes. Muitos produtos devem ser
estocados, e a programação do estoque é feita com estimativas a partir de períodos anteriores.
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A mão de obra utilizada não é qualificada, sendo o trabalho exercido muito padronizado. Os
benefícios da redução de setup não se dariam apenas para as injetoras, mas também aos
demais setores da empresa. A Figura 1 apresenta o layout dos processos de produção:
1) Máquinas de injeção de plástico;
2) Estoque intermediário;
3) Estante de moldes para máquinas injetoras;
4) Quadro geral de luz e força;
5) Sala de tintura;
6) Máquinas de serigrafia;
7) Linha de montagem e embalagem de produtos finais;
Figura 1- Layout da Linha de Produção
6. Resultados e discussões
Todas as atividades referentes à troca de moldes nas injetoras foram listadas e o método
SMED foi aplicado por meio da sequência de 4 passos anteriormente apresentada.
O setup de um processo de injeção de termoplástico é o tempo necessário para a troca do
molde de uma injetora. Para isso diversas atividades foram identificadas e analisadas, como
por exemplo, montagem e desmontagem do molde na injetora, abastecimento de matéria
prima, regulagens, entre outras. O desenvolvimento do estudo iniciou-se com a identificação
de todas as atividades e as respectivas coletas de tempo, a partir deste ponto, conseguiu-se
obter parâmetros para seguir as etapas propostas pelo método, apresentadas a seguir.
Estágio Inicial
Por meio da coleta de dados identificou-se 15 atividades que compõem o setup da troca dos
moldes, listadas na Tabela 2, juntamente com o tempo de duração para sua realização.
Atividade n°
Descrição
Duração (min.)
1
Notificação sobre o término do lote A
1
2
Posicionamento padrão da injetora para retirada do molde
2
3
Requisição de ferramentas
5
4
Retirada dos 8 parafusos e calços de fixação
8
6
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5
Posicionamento do guincho para retirada do molde A
1
6
Retirada do molde A e posicionado no carrinho de transporte
4
7
Transporte do molde A para o local de armazenamento
2
8
Armazenamento do molde A com auxilio do guincho
2
9
Retirada do molde B do local de armazenamento com o guincho
2
10
Transporte do molde B para a injetora
2
11
Posicionamento do molde B na injetora
5
12
Fixação dos 8 parafusos e calços
8
13
Ajustes de posição do molde
6
14
Transporte de matéria prima até a injetora
6
15
Ajustes de parâmetros até qualidade prevista da peça B
7
Total de tempo gasto com setup (minutos)
61
Tabela 2 – Atividades que compõem o setup das injetoras
Conforme apresenta a Tabela 2, o tempo de setup médio observado necessário para o setup foi
de 61 minutos. Porém como a atividade 1 – Notificação sobre o termino do lote A – com 1
minuto de duração poderia ser feita com a máquina em operação (setup externo), o tempo de
setup observado foi de 60 minutos. Seguindo o conceito básico de se estabelecer um tempo de
setup menor que um dígito de minuto, estabeleceu-se como meta tempo de setup de 9 minutos
a ser atingido em três meses.
Separação das operações de setup interno e externo
Nesta etapa percebeu-se o desconhecimento e falta de planejamento no setup, uma vez que,
das 15 atividades descritas apenas uma era considerada com setup externo – Notificação sobre
o término do lote A. As 14 atividades restantes eram realizadas com as injetoras paradas e
apresentavam um grande potencial de conversão, o que foi realizado na sequência.
Conversão de setup interno em externo
Apenas a separação das operações de setup interno e externo foi suficiente para promover
uma reflexão que levou ao questionamento e identificação de atividades que poderiam passar
a ser feitas por meio de setup externo. A partir da análise proposta nos passos anteriores foram
identificadas seis atividades com possibilidade de conversão, destacadas na Tabela 3.
- Requisição de ferramentas
- Transporte do molde A para o local de armazenamento
- Armazenamento do molde A com auxilio do guincho
- Retirada do molde B do local de armazenamento com o guincho
- Transporte do molde B para a injetora
- Transporte de matéria prima até a injetora
Atividades
Notificação sobre o término do lote A
Antes Conversão
Interno Externo
1
Após Conversão
Interno Externo
1
7
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Posicionamento padrão da injetora para retirada do molde
2
2
Requisição de ferramentas
5
Retirada dos 8 parafusos e calços de fixação
8
8
Posicionamento do guincho para retirada do molde A
1
1
Retirada do molde A e posicionado no carrinho de transporte
4
4
Transporte do molde A para o local de armazenamento
2
2
Armazenamento do molde A com auxilio do guincho
2
2
Retirada do molde B do local de armazenamento com o guincho
2
2
Transporte do molde B para a injetora
2
2
Posicionamento do molde B na injetora
5
5
Fixação dos 8 parafusos e calços
8
8
Ajustes de posição do molde
6
6
Transporte de matéria prima até a injetora
6
Ajustes de parâmetros até qualidade prevista da peça B
Tempo de setup (minutos)
7
5
6
7
60
41
Tabela 3 – Conversão de atividades de setup interno para externo
A simples identificação e conversão destas atividades para execução durante a operação das
injetoras permitiu a redução do tempo de setup de 60 minutos para 41 minutos.
Racionalização das operações de setup
Esta etapa consistiu em esforços de criatividade e brainstorming com os funcionários, a fim
de propor possíveis melhorias na troca de moldes, após a conversão de algumas atividades em
setup externo. Foram identificadas quatro propostas para racionalização de operações, sendo
quatro para o setup interno e duas para o setup externo, conforme indica a Tabela 4.
Setup
Modificação proposta
Utilização de maiores velocidades
movimento dos braços da injetora
de
Utilização de dois funcionários trabalhando
simultaneamente, nos 2 lados da injetora.
Interno
Aquisição de um novo carrinho de transporte,
para que o molde A, que foi retirado, fique no
aguardo ao lado da injetora, e o molde B já
esteja no aguardo em outro carrinho para ser
posicionado na injetora.
Utilização da memória da injetora, na qual
Atividade beneficiada
Redução
do setup
(min.)
Posicionamento padrão da injetora
para retirada do molde
1,5
Retirada dos 8 parafusos e calços de
fixação
6,0
Fixação dos 8 parafusos e calços
6,0
Posicionamento do guincho para
retirada do molde A
0,5
Retirada do molde A e posicionado
no carrinho de transporte
2,0
Posicionamento do molde B na
injetora
2,0
Ajustes de posição do molde
2,0
Ajustes de parâmetros até qualidade
5,0
8
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foram armazenadas pré-programações para cada
produto, sendo necessário somente o ajuste fino.
Outro fator positivo foram as reduções
anteriores que permitiram que a temperatura da
máquina não caísse com altas taxas
prevista da peça B
Criação de estojos contendo todas as
ferramentas necessárias para a troca de molde, e
a instalação de uma bancada articulada, que
possa ser colocada próxima da injetora para
melhor organização das ferramentas.
Requisição de ferramentas
0
Transporte de matéria prima até a
injetora
0
Transporte do molde A para o local
de armazenamento
0
Transporte do molde B para a
injetora
0
Externo
Posicionamento de todos os recursos de modo
que estes fossem alocados próximos à injetora
no início do setup, estando sempre disponíveis e
de fácil acesso.
Redução total do tempo de setup
25
Tabela 4 – Racionalização dos tempos de setup interno e externo
Com base nas informações da Tabela 4 nota-se que a redução total do tempo de setup de 25
minutos, obtido por meio da racionalização das atividades, faz com que o novo tempo de
setup seja reduzido de 41 minutos, que era o tempo após a conversão de atividades de setup
interno para externo, para 16 minutos.
Para avaliar quais setores sofreriam impactos pelas ações do método SMED, utilizou-se um
modelo de simulação para representar o processo em analise. O sistema foi simulado para dois
cenários: inicialmente utilizando os tempos e as distâncias atuais, e em um segundo momento,
as mudanças propostas.
No segundo cenário foram realizadas mudanças no sistema, além dos tempos e distâncias,
devido à implantação do método SMED, como por exemplo, a introdução de um funcionário
no processo de troca de ferramenta e a diminuição da distância entre a injetora e os moldes
que vão ser utilizados localizados na estação de estoque de matéria-prima.
A distância e os tempo medidos atualmente e os propostos são apresentados na Tabela 5.
Parâmetros
Atual
Proposto
Distância da injeção plástica ao estoque de matéria-prima (metros)
20,0
7,0
Tempo da injeção plástica ao estoque de matéria-prima (segundos)
30,0
10,5
Tabela 5 - Parâmetros de distancia e tempo entre injetoras e estoque de matéria-prima
Através da analise dos relatórios gerados pela simulação notou-se que o tempo de setup do
processo de injeção plástica era de 60,3 minutos e após a aplicação do método SMED passou
a ser de 9,0 minutos, uma redução expressiva de 85,2% no tempo de setup.
A Tabela 6 ilustra as mudanças analisadas através do relatório, comparando os dados antes e
depois da implantação do método SMED.
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Parâmetros
Sistema Atual
Sistema após SMED
Quant. copos graduados produzidos (unidades)
214.800
215.400
Quant. colher de cabo longo produzidas (unidades)
53.050
55.050
Quant. lixeiras produzidas (unidades)
42.600
43.200
Quant. fruteiras produzidas (unidades)
117.500
121.500
Quant. injetor de temperos produzidos (unidades)
100.800
99.600
Total de Produtos Injetados (unidades)
528.750
534.750
Fila do Processo de Injeção (segundos)
0.9
0.2
Ocupação Trocador(es) de Ferramenta (%)
94,3
27,4
Tempo de Setup (minutos)
60.3
9,0
Tabela 6 - Comparação entre o sistema inicial e o sistema após a implantação do SMED
É notório que com a redução do tempo de setup do processo de injeção plástica o sistema
incorporou maior mobilidade, sendo que o número total de produtos injetados aumentou
aproximadamente 1,2%, uma quantidade considerável se analisado o volume de produção. A
fila no processo de injeção diminui, pois com um baixo tempo de setup as máquinas injetoras
ficaram mais tempo em produção e menos tempo paradas. Outro parâmetro importante é a
redução da ocupação do(s) funcionário(s) responsáve(is) pela troca de ferramenta, pelo fato da
alocação de um funcionário adicional e do tempo de setup diminuir drasticamente, visto que o
funcionário(s) realiza as tarefas de maneira ordenada e ágil, e deste modo o tempo que ele(s)
fica(m) em processo diminui.
7. Considerações finais
Neste artigo, propôs-se a aplicação do método SMED com o intuito de diminuir o tempo de
setup do processo de injeção plástica e uma validação da aplicação do SMED através de um
software de simulação. Foi verificado que o método é de fácil aplicação e de resultados
expressivos, através da aplicação real do método e soluções simples e, na maioria sem custos
adicionais.
Após tal metodologia obtivemos como resultados principais, a redução no tempo de setup do
processo em 75 % (SMED) e 85,12% (simulação), pois o tempo de setup passou de 60
minutos para 16 minutos no primeiro caso e de 60,3 minutos para 9,0 minutos no segundo
caso, Com menor tempo de setup as máquinas injetoras ficarão maior tempo em produção e
menor tempo paradas.
Alem disso, outros setores foram impactados com a redução do tempo de setup, um exemplo
disto foi a redução do setor de reciclagem, que, com a melhor regulagem das injetoras,
diminuiu-se o retrabalho nas peças.
8. Referências Bibliográficas
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