Modelo de Simulação para Análise do Sistema de Fabricação de
Serras Diamantada
Ana Carolina de Almeida Sá (UCAM) [email protected]
Elaine Cristina Gonçalves Moreira (UCAM) [email protected]
João José de Assis Rangel (UCAM) [email protected]
Eglon Rhuan Salazar Guimarães (UCAM) [email protected]
Ana Lucia Diegues Skury (UENF) [email protected]
Resumo: Neste trabalho é apresentado um modelo de simulação para análise do sistema de
fabricação de serras diamantadas. Este modelo permite representar cenários complexos com
considerável rapidez. Em razão das diversas fontes de incertezas e da complexidade
operacional relacionada ao processo de produção de Serras Diamantadas, o método
utilizado tem por base a técnica de simulação computacional estocástica de eventos
discretos, utilizando o software Arena. As principais medidas de desempenho avaliadas
foram: taxa de utilização de operadores e máquinas, lead time do processo, peças em
processo (WIP), dentre outras, considerando como restrição o custo das ferramentas.
Palavras-chave: Simulação; Serras Diamantadas; Diamante.
1. Introdução
A utilização de ferramentas diamantadas, a partir da metade do século passado,
facilitou a manufatura de peças de diversos metais e ligas não ferrosos, materiais não
metálicos de alta dureza, corte de vidro, mármore, granito e concreto, a perfuração de poços
de petróleo e gás, etc. As ferramentas diamantadas proporcionam nestas atividades um
aumento de produtividade em dezenas de vezes, obtendo, principalmente, novos resultados no
acabamento final do produto. Dentre a ampla gama de setores em que são aplicadas as
ferramentas diamantadas, destaca-se o processamento de rochas ornamentais
(BOBROVNTCHII, 2000), (BOBROVNTCHII, 1991).
Neste contexto, relacionado ao processamento de rochas ornamentais, se insere o
estado do Rio de Janeiro, onde são encontradas cerca de 1500 empresas distribuídas entre a
região metropolitana e Norte-Noroeste e mais de 11 mil empregos formais distribuídos na
região metropolitana da cidade do Rio de Janeiro (62%, em sua maioria marmorarias).
Somente no município de Santo Antonio de Pádua e cidades vizinhas do Noroeste
Fluminense, como Miracema, São José de Ubá, Itaperuna, Laje do Muriaé, Natividade,
Porciúncula, Varre-Sai, Bom Jesus do Itabapoana, Cambuci e Italva, existem em torno de 165
empresas, entre pedreiras e serrarias, das quais 99,9% são de micro e pequeno porte. Estas
empresas são dependentes da importação de ferramentas de corte, em particular das serras
diamantadas, e da modernização de técnicas de extração de rochas. Até o fim de 2010, novas
ferramentas, com tecnologia 100% nacional, deverão estar disponíveis no mercado para trazer
uma considerável economia de custos, redução de tempo e, consequentemente, aumento da
produtividade do setor (ZEPEDA, 2009).
1
É importante ressaltar que, a grande maioria das empresas de ferramentas abrasivas no
Brasil importa os insumos utilizados na fabricação de ferramentas e revende os produtos.
Sendo assim, os produtos fornecidos por essas empresas acabam atendendo somente às
necessidades dos países que as desenvolvem, considerando-se sempre suas necessidades
específicas, visto que não são realizados testes em rochas brasileiras, apenas em rochas de
seus países de origem.
Tendo em vista estes dados, foi criada na TEC-Campos, a incubadora de empresas da
UENF a empresa ABRASDI, em parceria com pesquisadores e alunos ligados ao Laboratório
de Materiais Superduros (LAMAV) com o intuito de suprir uma necessidade do mercado
nacional.
Assim, o presente artigo em conjunto com o projeto da UENF de fabricação de serras
diamantadas tem como objetivo, o apoio à empresa ABRASDI no desenvolvimento da
tecnologia relativa à produção de serras diamantadas, além de realizar uma análise por
simulação computacional de um “layout” para o processo de fabricação de serras
diamantadas, a ser empregada no corte de rochas ornamentais (BANKS; CARSON;
NELSON; NICOL, 2010). Os cenários a serem investigados no processo de fabricação das
respectivas serras serão elaborados a partir da tecnologia que está sendo desenvolvida pelos
pesquisadores do Lamav/UENF, do qual o professor orientador deste projeto é participante.
2. Descrição do modelo de simulação para Análise do Sistema de Fabricação de Serras
Diamantada
O sistema de fabricação de serras diamantadas é composto por um conjunto de
operações que são realizadas de forma integrada e sem qualquer tipo de armazenagem de
longo prazo que possa permitir a independência entre as operações do sistema. A meta
principal do sistema é a de manter sempre os menores tempos nas operações realizadas com o
menor custo de operadores, de forma a se ter, conseqüentemente, o menor lead time,
proporcionando assim, uma maior agilidade na fabricação das serras, que por conseqüência
um maior estoque com o intuito de ampliar ainda mais as vendas.
Assim, pode-se descrever o sistema de fabricação de serras diamantadas como o
sistema formado pelo conjunto de operações tais como: mistura do produto inicial (liga +
diamante), pesagem da mistura, preenchimento da mistura no molde, sinterização,
lubrificação dos moldes, limpeza dos segmentos, soldagem do segmento na alma, retifica,
tensionadora, pintura e embalagem. A Figura 1 mostra esquematicamente a fabricação de
serras diamantadas, porém neste artigo será analisado somente até a etapa de Lubrificação
(Etapa 7).
Neste sentido, serão obtidos neste trabalho resultados parciais deste processo de
fabricação.
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FIGURA 1 - “Layout” fabricação de serras diamantadas
Para a inicialização do processo de fabricação das serras diamantadas, um operador
adiciona 75% de liga e 25% de diamante ao misturador para que este em um tempo de
aproximadamente 30 minutos prepare a mistura que será utilizada para o preenchimento dos
moldes e a fabricação dos segmentos mais adiante. Este processo consiste na Etapa 1 do
processo de fabricação.
Feita a mistura, serão preenchidos os copos com a quantidade necessária à fabricação
de cada segmento. Este procedimento é realizado na mesa de molde e pode ser intitulado
como etapa 2. Ainda na mesa de molde acontece a etapa 3. Nela, um operador preencherá os
moldes com a mistura dos copos da etapa anterior. Este preenchimento de moldes dura em
média 30 segundos para cada um, não sendo necessária a utilização de mais um operador.
Assim, o operador que preencherá os copos será o mesmo a preencher os moldes.
Na próxima etapa (Etapa 4), os moldes já preenchidos seguem para a sinterizadora.
Nela, a mistura que está dentro do molde será compactada através de um tratamento térmico
transformando-a em “segmentos sinterizados”. Esse processo dura aproximadamente 10
minutos, e cada batelada tem capacidade para 16 segmentos, sendo realizada por somente 1
operador.
Quando o molde sai da prensa, um operador o coloca na bancada de desmolde para dar
inicio à Etapa 5. Sendo assim, ele vai desmoldando cada segmento e separando molde de
segmento. Este desmolde é realizado em um tempo X para cada segmento. Na próxima etapa
(Etapa 6), um outro operador faz a lubrificação dos moldes. Esta etapa é considerada uma
inspeção, na qual, consiste na passagem de um fluxo com um pincel em cada molde para
verificar se existe alguma trinca ou não. Se houver, esse molde trincado será retirado do
processo, se não houver trinca, esse molde retornará ao processo a partir da etapa de
preenchimento de molde, intitulada como etapa 3.
3
Na próxima etapa, (Etapa 7), será feita a limpeza dos segmentos por um outro
operador que retirará as rebarbas dos mesmos. Esta etapa dura em torno de 10 segundos para
cada seguimento.
Com os moldes limpos, eles serão soldados na alma (disco de aço), que entra no
processo apenas nesta etapa (Etapa 8). A soldagem é feita de dois em dois segmentos. Para a
fabricação de 1 serra completa, são necessários 25 segmentos. O tempo aproximado para a
soldagem de todos estes segmentos é de 7 minutos.
Com todos os segmentos soldados na alma, esta já pode ser chamada de serra. Na
etapa seguinte (Etapa 9), a serra é encaminhada para ser retíficada. As serras são colocadas
dentro da retífica e passam por um processo de alinhamento e retirada dos excessos. O tempo
estimado para tal é de 5 minutos, sendo processada 1 serra por vez.
Porém, a retífica pode eventualment ocasionar algum empeno e, por isso, logo ao
saírem da retífica, as serras serão encaminhadas para a tencionadora (Etapa 10). O tempo
estimado para a tencionadora finalizar seu processo é de 1 minuto, e será processada apenas 1
serra de cada vez.
Na etapa 11, será realizada a pintura das serras. Porém, segundo informações da
ABRASDI, ainda não foi decidido se a pintura será realizada por uma máquina ou por um
operador, sendo assim, ainda não há tempo definido para a execução desta etapa.
Por fim, a serra será encaminhada para a etapa final (Etapa 12) na qual as serras serão
embaladas.
3. Descrição do Modelo de Simulação
O modelo de simulação do sistema aqui proposto foi desenvolvido a partir de
metodologia proposta por Freitas Filho (2008), com os seguintes passos: formulação e análise
do problema; planejamento do projeto; formulação do modelo conceitual; coleta de macroinformações e dados; tradução do modelo; verificação e validação; projeto experimental;
experimentação; interpretação e análise estatística dos resultados; comparação e identificação
das melhores soluções; documentação e apresentação dos resultados.
O modelo conceitual do sistema foi traduzido para o software Arena®12 para
realização das simulações computacionais (KELTON; SADOWSKI; STURROCK, 2007). As
simulações apenas foram iniciadas após o modelo ter sido verificado e validado por completo
(SARGENT,2007).
O modelo conceitual do sistema conforme ilustra a FIGURA 2, juntamente com as
Tabelas explicativas em Anexo, mostram as informações referentes às regras operacionais e
aos tempos dos processos, obtidos a partir de levantamentos de dados realizados junto com a
ABRASD. Utilizaram-se os elementos do IDEF-SIM para descrição dos processos e melhor
entendimento do modelo (LEAL; ALMEIDA; MONTEVECHI, 2008).
Não foram utilizadas funções de distribuição. Todas as funções são constantes, devido
ao fato da empresa ainda não estar em funcionamento, não dispondo ainda de dados mais
apurados. Sendo assim, todas as operações foram trabalhadas com tempos, como mostra a
Tabela 1.
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FIGURA 2 - Modelo Conceitual do sistema de fabricação de serras diamantadas - IDEF-SIM.
TABELA 1 - Cronograma das operações.
Função
Mistura de diamante + liga metálica (F1)
Inspeção da mistura de diamante + liga metálica. (F2)
Preencher os copinhos de mistura com uma balança (F3)
Preencher os moldes com a mistura dos copinhos (F4)
Sinterização (F5)
Inspeção da sinterização (F6)
Desmolde (F7)
Lubrificação dos moldes (F8)
Limpeza dos segmentos (F9)
Tempo
30 min.
30 seg
30 seg.
10 min.
10 min
30 seg
5 min
10 seg.
10 seg.
A produção de serras diamantadas inicia-se no laboratório. As condições de entrada
são: 75% de liga mais 25% de diamante (C1).
Feito isso, inicia-se o processo de mistura (F1), no qual após 30 minutos, será feita
uma inspeção (F2) numa porcentagem de 3% de erro de descarte da mistura. Com a mistura
pronta (E3), ela será deslocada para a mesa de molde (M1) onde acontecerá o preenchimento
dos copos (F3). Após este preenchimento, será feito o preenchimento dos moldes com o
conteúdo desses copos (F4).
Com os moldes preenchidos da mistura, estes serão deslocados para a sinterizadora
(M2), local onde ocorrerá a sinterização da mistura com os moldes (F5). A sinterização é
realizada com exatamente 1 molde com 16 particições. Ao término deste processo será feita
5
uma inspeção com uma porcentagem de 3% de erro de descarte (F6). Após a realização da
inspeção, será feito um desmolde separando os segmentos do molde (F7).
Com esta separação,o molde (E4) passará por um processo de lubrificação (F8) para
que se possa averiguar se há trincas. Caso haja trincas no molde, será feito o descarte dele,
caso contrário, ele retornará à mesa de molde. Para este processo há uma margem de descarte
em torno de 3%.
Os segmentos provenientes do desmolde são então encaminhado para o processo de
limpeza para que possam ser retirados todos os excessos existentes no segmento (F9). Após
essa etapa se iniciará o processo de montagem das serras.
Feita essa descrição do modelo conceitual serão abordados nos próximos tópicos o
número necessário de fatores para os níveis visando à maximização da produção de serras, a
partir da análise de diferentes cenários relativos às possibilidades de se produzir serras
diamantadas, visto que a fábrica ainda está em desenvolvimento, podendo assim contribuir
para a validação e verificação das quantidades necessárias de fatores, tendo em vista o maior
número de serras produzidas com o menor custo.
4. Projeto Experimental e Análise dos Resultados
Segundo Montgomery (1997), um experimento é um teste ou uma série de testes, nos
quais alterações controladas são realizadas sobre os fatores envolvidos num sistema ou
processo, de tal forma que se possa observar e identificar as razões das mudanças ocorridas
sobre as respostas.
Com esse intuito, a estratégia de simulação computacional utilizada para a
experimentação deste projeto foi do tipo Projeto Fatorial 2k. Nesta estratégia, descrita em
detalhes em Freitas Filho (2008), o Projeto experimental 2k é usado para determinar o efeito
de k fatores, onde cada um deles possui 2 alternativas ou níveis.
TABELA 2 – Número de Replicações.
Cenário
1
2
3
4
5
Número de Replicações
10
20
40
60
80
Número de Serras produzidas
123.100
122.950
121.925
121.033
121.175
A partir de análises realizadas na ferramenta Process Analyser, conclui-se que este
modelo foi preparado para rodar com o número de replicações igual a 40, pois analisando-se a
Tabela 2 acima, pode-se perceber que a partir de 40 replicações a variação de serras
produzidas não teve grandes alterações logo, é recomendável que use-se o menor número de
replicações do qual o modelo convergiu.
Antes de se realizar o Projeto Fatorial 2k foi feita uma análise do número de
operadores necessários para a Simulação Computacional, considerando o custo do operador
em relação ao número de ferramentas produzidas.
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TABELA 3 – Número de Opreadores.
Cenário
1
2
3
4
5
6
7
Numero de Replicações
10
10
10
10
10
10
10
Número de operador
1
2
3
4
5
6
7
Número de serras produzidas
0
1.00
5.600
124.700
123.100
124.300
124.300
A Tabela 3, apresenta os resultados obtidos com as simulações computacionais. Pode
se averiguar que o número de operadores que maximiza a produção é igual a 4.Observa-se no
cenário 4 que a partir de 4 operadores a variação do número de ferramentas produzidas não
foi significativa, logo não compensa acrescentar mais um operador visto que será um gasto a
mais sem maiores lucros.
Sendo assim, torna-se clara a demanda deste sistema por 4 operadores, visto que um
acréscimo será desnecessário e um decréscimo do mesmo acarretará numa diminuição na
fabricação das serras diamantadas e uma conseqüente redução dos lucros.
A Tabela 4, mostra a variação dos níveis de operadores em função dos níveis de
sinterizadoras. No operador, o nível 1 equivale a quatro operadores e o nível 2 a cinco
operadores. Já na sinterizadora, o nível 1 equivale a uma sinterizadora e o nível 2 a duas
sinterizadoras. Sendo assim pode se perceber que no cenário 1, com 4 operadores e uma
sinterizadora fabrica-se um número próximo de serras em relação ao cenário 3, com 5
operadores e 1 sinterizadora . A partir dessa analise percebe-se que é mais viável ter-se 4
operadores e 1 sinterizadora, visto que o acréscimo de 1 operador não produzirá um aumento
significativo na produção de serras.
TABELA 4 - Número de maquina e de Operadores.
Cenário
1
2
3
4
Operador
Sinterizadora
Número de serras produzidas
Nível 1
Nível 1
Nível 2
Nível 2
Nível 1
Nível 2
Nível 1
Nível 2
124.700
118.700
123.100
125.300
Pode-se ainda observar que em relação ao número de sinterizadoras, deve-se manter
constante, pois a quantidade de serras produzidas com duas sinterizadoras não supera a
quantidade de serras produzidas com apenas 1 operador, o que não justifica a utilização de
mais uma máquina desta.
Com isso conclui se que o número de máquinas mantêm-se constante e igual a 1 ao
passo que o número de operadores será igual a 4.
5. Conclusão
Após verificação do modelo elaborado para simular a fabricação de Serras
Diamantadas, foi possível constatar que o mesmo atendeu às expectativas da sua construção,
possibilitando atender a dinâmica dos processos envolvidos e auxiliar aos gestores da empresa
ABRASDI na análise e na tomada de decisão na linha de produção da fabricação de serras.
7
Os resultados da simulação mostraram ainda, o número necessário de operários para
todo o processo de fabricação, com isso, pode-se auxiliar a empresa ABRASDI em relação ao
número de operários necessários para se produzir um número de serras que atenda às
necessidades da empresa e maximizando o seu lucro.
Vale ressaltar que os resultados apresentados até agora são apenas resultados
preliminares, considerando que o projeto ainda encontra-se em fase de andamento.
Sendo assim, os resultados obtidos são do início da fabricação da serra no Laboratório
com a mistura de Liga metálica e Diamante, sendo processada até a etapa de Limpeza dos
segmentos (F9) como pode-se observar no modelo conceitual inserido no Anexo A abaixo.
Espera-se que os resultados das simulações computacionais aqui apresentados sobre a
produção de serras diamantadas possam contribuir para o desenvolvimento de novos trabalhos
a serem realizados neste campo de conhecimento.
Agradecimentos
Os autores gostariam de agradecer ao Conselho Nacional de Desenvolvimento
Científico e Tecnológico - CNPq e à Fundação de Amparo à
Pesquisa do Estado do Rio
de Janeiro - FAPERJ pelo suporte financeiro para esta pesquisa.
Referências
BANKS, Jerry; CARSON, John. S.; NELSON, Barry. L.; NICOL, David M. Discrete-event system simulation.
5nd ed. New Jersey: Prentice Hall, 2010.
BOBROVNITCHII G.S.; BELOVOL U.S. Novas prensas hidráulicas para fabricação de materiais de alta
dureza.1991. In: Novas máquinas e tecnologias de fabricação por forja. Ed. Krivonos G. A., V. 1, p.p. 15-24.
BOBROVNITCHII G.S.; SKURYS A.L.D., (2000) Algumas Considerações Sobre a Produção Mundial de
Materiais Superduros. Anais do 55° Congresso da ABM, Rio de Janeiro, Brasil.
FREITAS FILHO, PAULO JOSÉ DE (2008) Introdução à modelagem e simulação de sistemas. 2. ed. São
Paulo, SP: Editora Visual, 372 p.
JORNADA J. A H. (1987) Produção de Materiais Avançados por Alta Pressão. Sociedade Brasileira de Física,
pp. 46-49.
KANDA H. Advanced in new diamant science and technology. S. Saito, Tokyo, 1994, pp.507-512.
KELTON, W. D.; SADOWSKI, R. P. E STURROCK, D.T. Simulation with Arena, Forth Edition, New York:
McGraw- Hill, 2007.
LEAL, F.; ALMEIDA, D.A. E MONTEVECHI, J.A.B. (2008) Uma Proposta de Técnica de Modelagem
Conceitual para a Simulação através de Elementos do IDEF. Simpósio Brasileiro de Pesquisa Operacional –
XL-SBPO, João Pessoa - Pb, 1-12.
SARGENT, R.G. Verifications and validation of simulations models. In: Winter simulation conference, Miami,
USA. p. 124-137, 2007.
VINICIUS ZEPEDA. Novos produtos deverão impulsionar setor de rochas ornamentais no estado. Disponível
em: <http://www.faperj.br/boletim_interna.phtml?obj_id=5886>. Acesso em: 29 out. 2009.
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ANEXO A - Descrição conceitual IDEF-SIM.
TABELA 5 – Descrição das Entidades.
Entidade
E1
E2
E3
E4
E5
E6
Descrição
Liga Metálica
Diamante
Mistura (E1+E2)
Molde
Segmentos + Molde
Segmento
Parâmetro
Qtd: 10g, Taxa:X, Total:100, Início
Qd: Xg, Taxa:X, Total:X, Início
50% Liga Metálica + 50% Diamante
Qtd: X, Taxa: X, Total: X
Qtd: X, Taxa: X, Total: X
Qtd: X, Taxa: X, Total: X
TABELA 6 – Descrição dos Recursos.
Recurso
R1
R2
R3
R4
R5
R6
MA1
MA2
MA3
C1
Descrição
Operador 1
Operador 2
Operador 3
Operador 4
Operador 5
Operador 6
Misturador
Balança
Forno
Controle da dosagem
Parâmetro
Qtd: 01
Qtd: 01
Qtd: 01
Qtd: 01
Qtd: 01
Qtd: 01
Qtd: 01
Qtd: 01
Qtd: 01
Dosagem= 10g(liga) + 10g(diamante)
TABELA 7 – Descrição das Funções.
Função
Descrição
Parâmetro
F1
Mistura de Diamante + Liga Metálica
F2
Inspeção 1
Preencher os copos de mistura com uma
balança
Preencher os moldes com a mistura dos
copinhos
Sinterização
Inspeção 2
Desmolde
Lubrificação dos moldes
Limpeza dos segmentos
F3
F4
F5
F6
F7
F8
F9
Tempo: 30 min. Faz-se 5 serras (125
segmentos)
Tempo: 5 seg.
Tempo: 30seg cada copo
Tempo: 10min
Tempo: 10 min. Faz-se 16 segmentos
Tempo: 5 seg.
Tempo: 5 min.
Tempo: 10seg cada molde
Tempo: 10 seg
TABELA 8 – Descrição dos Movimentos.
Movimento
M1
M2
Descrição
Movimentação da mistura do Laboratório para a mesa de molde
Movimentação dos moldes preenchidos na mesa de molde para
a sinterizadora
Parâmetro
Distância: Xm
Distância:
0,70m
9