Projetos Mecânicos Utilizando Geometric Dimensioning and Tolerancing (GD&T) e Simulação Monte Carlo
[Conceitos Básicos] [Informações Adicionais]
Responsável: Mauricio Wandeck
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Introdução
O sistema cartesiano, que ainda é ensinado nas faculdades de engenharia e praticado pelas empresas nacionais, está obsoleto porque aumenta o custo dos produtos. Para os produtos industriais brasileiros serem competitivos é necessário utilizar as modernas ferramentas de projetos que são aplicadas nos países industrializados. A norma QS-9000 contem a relação destas ferramentas.
A norma QS-9000
A publicação da norma QS-9000 foi uma iniciativa da General Motors, Ford e Chrysler com o objetivo de fabricar produtos competitivos. Ela contém o que há de melhor na prática da engenharia automobilística americana. Seus conceitos são absolutamente gerais e podem ser utilizados pelos demais segmentos industriais, principalmente as ferramentas de engenharia, dentre as quais se encontra o GD&T.
GD&T e a Simulação Monte Carlo
O GD&T é a nova ferramenta de cotação que substituiu o sistema cartesiano. Ele trabalha em parceria com a simulação Monte Carlo. O GD&T define as tolerâncias dimensionais e geométricas dos componentes e a simulação Monte Carlo as ajusta segundo o critério de qualidade descrito a seguir.
Critério de Qualidade da QS-9000
O critério de qualidade adotado pela norma QS-9000 é o controle dos processos. Não basta estabelecer isoladamente as tolerâncias dimensionais e geométricas dos componentes, porque as características funcionais dos produtos finais são cotas resultantes, que dependem das tolerâncias dos componentes e dos processos de montagem.
Histórico do GD&T
O criador do GD&T foi Stanley Parker, engenheiro inglês da fábrica de torpedos da marinha britânica, localizada na cidade de Alexandria, Escócia. Nessa época, 1940, acreditava-se que o erro era inevitável. Tudo que era produzido, não importa o quê, continha um percentual de peças ruins. O modelo industrial da época tinha obrigatoriamente duas etapas: fabricar e inspecionar, para retirar as peças ruins do lote produzido.
Stanley Parker, pressionado pelo esforço de guerra, provocou uma grande controvérsia ao realizar uma experiência inédita. Montou produtos que funcionaram bem utilizando peças reprovadas na inspeção. Ele constatou que a característica crítica na montagem dos produtos é o afastamento em relação ao centro (true position), portanto o campo de tolerância deve ser circular e não quadrado. O sistema cartesiano utiliza campos de tolerância quadrados e reprova as peças boas.
Stanley Parker concluiu que as peças reprovadas, na verdade, eram peças boas. O que estava errado era o conceito de peça ruim. Assim nasceu o GD&T, que utiliza campos de tolerâncias cilíndricos. Esta foi a primeira alteração sofrida pelo sistema cartesiano, 300 anos após a sua criação.
O Desenvolvimento do GD&T
Ao longo do tempo diversos novos conceitos foram incorporados ao GD&T, como os princípios de máximo e mínimo material, a condição de independência, a zona de tolerância projetada, as zonas de tolerâncias compostas, os datuns, etc. No estágio atual o GD&T é composto de 290 regras, cuja aplicação é normalizada pelas associações de normas técnicas dos diversos países, algumas delas citadas adiante. Na última revisão da norma técnica americana, ASME Y14.5, 1994, houve mais de 100 alterações, e outras tantas estão em vias de acontecer na revisão prevista para 2008.
Para projetar produtos competitivos os engenheiros e técnicos precisam constantemente atualizar os seus conhecimentos de GD&T. Os softwares de CAD ajudam a elaborar os modelos e desenhos, mas a cotação, que é a parte mais sensível dos projetos devido ao impacto na qualidade e no custo, continua a ser feita pelo cérebro humano.
Nos Estados Unidos a ASME (American Society of Mechanical Engineers) realiza periodicamente um "provão de GD&T". As empresas treinam os seus profissionais e os incentivam a obter a certificação. Dentro em breve isto se tornará uma exigência que fatalmente atingirá as empresas brasileiras que exportam produtos mecânicos de alto valor agregado.
Cálculo dos Índices de Capabilidade Cp/Cpk
A ferramenta ideal para calcular os índices Cp/Cpk é a simulação Monte Carlo. Ela executa a montagem virtual de um grande número de conjuntos, combina aleatoriamente os valores das tolerâncias dos componentes (reproduz o que acontece na linha de montagem) e fornece o histograma da distribuição, os índices de capacidade Cp/Cpk, e a relação das tolerâncias que mais contribuem para a variação das características funcionais. Esta atividade deve ser realizada na engenharia, na fase de desenvolvimento do produto, antes da fabricação do ferramental.
Veja um Exemplo da Aplicação de GD&T e Simulação Monte Carlo
http://www.gdt.eng.br/tecn.asp
Vantagens proporcionadas
Qualidade
A simulação Monte Carlo relaciona as tolerâncias pela sua ordem de importância e identifica as principais responsáveis pela qualidade do produto. Esta informação é muito importante porque coloca em evidência os processos mais sensíveis e serve de base para elaborar o plano de qualidade do produto final.
Custo do produto final
As tolerâncias não identificadas como características chave devem ser alargadas ao máximo para reduzir o custo. O conjunto final de tolerâncias é a solução de compromisso ideal entre custo e qualidade.
Meio Ambiente
A utilização do GD&T e simulação Monte Carlo permite determinar exatamente a quantidade de material requerida por cada peça. Em consequência os engenheiros podem reduzir o fator e segurança e gastar menos material. Quanto menos material, melhor. Toda a cadeia produtiva se beneficia, o meio ambiente agradece e o consumidor final paga menos.
Tempo e Custo de Desenvolvimento de Produtos
A utilização do GD&T e simulação Monte Carlo permite fazer certo da primeira vez. Isso elimina por completo a necessidade de protótipos e lotes piloto para resolver problemas dimensionais.
Custo dos Produtos
O emprego do GD&T reduz o custo direto dos produtos pelos seguintes motivos:
Relações Entre Clientes e Fornecedores
O GD&T elimina as controvérsias entre clientes e fornecedores porque é uma linguagem que não deixa margem a ambigüidades.
Normas Técnicas de GD&T
NBR 6409, Associação Brasileira de Normas Técnicas.
ASME Y14.5M 1994, American Society of Mechanical Engineers, USA.
BS 308, Parts 2 e 3, British Standards Institution.
CSA B78.2, Canadian Standards Association.
NF E 04-552 ENR, AFNOR, France.
ISO 1101, 5458, 5459, 2692,2692 DAM I, 10578 e 2768-2, Internacional.
Livros sobre GD&T
GEO-METRICS III, Lowell W. Foster
FUNDAMENTALS OF GD&T, Alex Krulikowski
INTERPRETATION OF GD&T, Daniel E. Puncochar
ENGINEERING DRAWING AND DESIGN, David A. Madsen
DIMENSIONING, TOLERANCING, AND GAGING APPLIED, Gary Gooldy
Sites de GD&T e Simulação Monte Carlo
http://www.gdt.eng.br
http://www.etinews.com
http://www.tec-ease.com