REGISTRO DOI:10.5281/zenodo.10196023
John Leonne de Sousa Aguiar1
Gilmara dos Santos Forte1
Abstract. This article explores the application of Design for Assembly (DfA) in optimizing the assembly process of static converters, aiming to simplify the product and reduce costs. DfA seeks not only to cut costs but also to enhance the quality and reliability of the product while reducing inventory during production. Examining the historical evolution of electricity, from its emergence in the 19th century to its essential role in modern power supplies, the study underscores the significance of static converters in energy efficiency. The methodology adopted in this study focused on the systematic identification and resolution of problems, emphasizing qualitative analyses of root causes. The replacement of AC cables with stainless steel plate contact springs emerged as a promising strategy, streamlining assembly processes and lowering costs. Results demonstrate a substantial cost reduction and the elimination of rework labor. The integration of contact springs not only simplified the process but also positively contributed to the quality of the final product, reinforcing the company’s commitment to operational excellence and customer satisfaction.
Keyword: Cost Reduction, Design for Assembly (DfA), Operational Efficiency, Process Optimization, Static Converters.
Resumo. Este estudo aborda a aplicação do Design for Assembly (DfA) na otimização do processo de montagem de conversores estáticos, com o objetivo de simplificar o produto e reduzir custos. O DfA visa não apenas à redução de custos, mas também à melhoria da qualidade e confiabilidade do produto, além de diminuir o inventário durante a produção. Analisando a evolução histórica da eletricidade, desde sua emergência no século XIX até seu papel essencial nas fontes de alimentação modernas, o estudo destaca a relevância dos conversores estáticos na eficiência energética. A metodologia adotada neste estudo focou-se na identificação e resolução sistemática de problemas, com ênfase em análises qualitativas das causas fundamentais. A substituição de cabos AC por molas de contato em forma de placa inoxidável se revelou como uma estratégia promissora, simplificando a montagem e reduzindo custos. Os resultados demonstram uma redução significativa de custos e a eliminação da mão de obra de retrabalho. A incorporação das molas não apenas simplificou o processo, mas também contribuiu positivamente para a qualidade do produto final, reforçando o compromisso da empresa com a excelência operacional e a satisfação do cliente.
Palavras-Chave: Conversores Estáticos, Design for Assembly (DfA), Eficiência Operacional, Otimização de Processos, Redução de Custos.
⦁ Introdução
De acordo com Salutri e Chan (2005), o projeto com foco em Design for Assembly (DfA) busca a simplificação do produto para a redução dos custos de montagem. A aplicação efetiva do DFA não apenas reduz os custos, mas também contribui para uma melhoria na qualidade e confiabilidade do produto, além de possibilitar uma diminuição no inventário de peças e equipamentos durante a produção. Conforme a definição de Salutri e Chan (2005, p.1), o DFA é “um processo para aprimorar o projeto do produto, para obter uma montagem fácil e de baixo custo, focando-se na funcionalidade e na facilidade de montagem simultaneamente.”
À medida que nos aproximamos das últimas décadas do século XIX, a eletricidade emerge como uma tecnologia acessível à humanidade, resultante do esforço conjunto entre ciência e engenharia. Tornando-se um produto estimado para diversas aplicações, a eletricidade representou o progresso e a civilização nas indústrias em crescimento. As cidades testemunharam transformações com a iluminação pública, enquanto nas residências, a eletricidade proporcionou conforto e uma variedade de aparelhos elétricos, moldando o imaginário social. Com utilidade prática considerável, a eletricidade se tornou símbolo de modernidade naquela época, impulsionando a elite e a população em geral. O desenvolvimento das inúmeras aplicações da energia elétrica resultou em avanços como iluminação artificial, aquecimento, transmissão de informações por sinais eletromagnéticos, além da transmissão eficiente de energia elétrica. Contudo, esse progresso demandou esforços crescentes para alcançar eficiência energética e reduzir perdas, como aquelas associadas ao aquecimento.
Segundo Mehl, as fontes de alimentação modernas podem ser categorizadas em dois grupos principais: regulação linear e regulagem por chaveamento. Nesse contexto, o que Mehl denomina de fonte chaveada é, na realidade, um conversor estático de corrente alternada em corrente contínua com regulagem por chaveamento. A eficiência e versatilidade dessas fontes de alimentação são cruciais para a operação de uma variedade de dispositivos eletrônicos, desde equipamentos de pequeno porte alimentados por pilhas até sistemas mais complexos conectados à rede elétrica local.
Com o contínuo crescimento na demanda por dispositivos eletrônicos mais compactos, leves e eficientes, torna-se imperativo otimizar os processos de montagem. Este estudo visa aprimorar a fabricação de fontes de alimentação, buscando não apenas a redução de custos, mas também a simplificação do procedimento, alinhado com as diretrizes do DFA. A análise minuciosa de cada componente do projeto e do produto, desde o início do processo de criação, revela-se fundamental para identificar e resolver possíveis desafios na montagem. Desta maneira, antecipa-se uma melhoria substancial na eficiência do processo de fabricação de fontes de alimentação, contribuindo para a inovação e aprimorando a competitividade no mercado eletrônico.
⦁ Referencial Teórico
⦁ Tipos de Correntes
A eletricidade, como forma essencial de energia, é distribuída em dois principais tipos de corrente: a alternada (CA) e a contínua (CC). A corrente alternada, caracterizada por sua voltagem de longo alcance e variação de sentido, é amplamente aplicável em residências, proporcionando uma distribuição eficiente de energia. No entanto, é intrigante compreender que a escolha predominante pela corrente alternada para consumo doméstico não se deve apenas à sua aplicabilidade, mas a uma interessante reviravolta na história da eletricidade.
No desfecho do século XIX, uma acirrada disputa entre os gigantes industriais Westinghouse e General Electric influenciou diretamente a direção da eletrificação. A batalha entre a corrente alternada (CA) e a corrente contínua (CC) chegou ao seu ápice quando a Westinghouse, com sucesso, alimentou a Feira Mundial de Chicago em 1893 utilizando corrente alternada. Esse triunfo foi um ponto de virada significativo, consolidando a corrente alternada como a escolha predominante para alimentar não apenas residências, mas praticamente qualquer dispositivo conectado às linhas de energia.
Por outro lado, a corrente contínua caracteriza-se por um fluxo de carga constante, sem alteração na direção. Encontrada em fontes como células solares, termopares e baterias, a corrente contínua é frequentemente empregada em aplicações de baixa tensão. Sua presença é notável em diversos setores, incluindo indústrias, sistemas aeronáuticos, automóveis, carregadores de dispositivos móveis, notebooks, e em uma ampla gama de equipamentos e locais que requerem um fornecimento estável de energia.
Esse embate entre correntes não apenas delineou o curso da eletrificação moderna, mas também influenciou diretamente a escolha de corrente em diferentes contextos, moldando a infraestrutura elétrica que sustentamos hoje. A compreensão das características distintas dessas correntes é essencial para a eficiente concepção e operação dos sistemas elétricos em variados ambientes e aplicações.
⦁ Classificações dos conversores
A eficiência na conversão de energia elétrica desempenha um papel crucial na operação de diversos dispositivos e sistemas. Dentre as classificações dos conversores, destacam-se quatro tipos principais, cada um desempenhando um papel específico na transformação e controle da corrente elétrica.
Entrada CA / Saída CC: Nos conversores CA-CC, conhecidos como retificadores, a conversão se inicia com a transformação de uma tensão de entrada em corrente alternada (CA) para uma tensão de saída em corrente contínua (CC). Esses dispositivos assumem uma função crucial ao fornecer energia estável, alimentando cargas que demandam corrente contínua. Sua aplicação abrangente é notável em fontes chaveadas, permitindo a integração de dispositivos eletrônicos à rede elétrica de forma eficiente e confiável.
Entrada CC / Saída CA: Os conversores CC-CA, comumente denominados inversores, desempenham uma função crucial ao realizar o processo inverso, exercendo controle tanto sobre a amplitude quanto sobre a frequência da tensão de saída. Sua notável versatilidade se manifesta em diversas aplicações, desde a integração direta de painéis fotovoltaicos à rede elétrica (conhecidos como inversores on-grid) até a alimentação de cargas com especificações precisas, como 120 VAC/60 Hz, provenientes de uma fonte mais modular, como uma bateria de 12V. Além dessas funcionalidades, os inversores destacam-se por sua capacidade de gerenciar a velocidade de motores de indução, ampliando ainda mais seu escopo de aplicação em sistemas elétricos diversificados.
Entrada CC / Saída CC: Nos conversores CC-CC, a voltagem da corrente contínua (CC) de entrada passa por um processo de transformação para produzir uma voltagem de corrente contínua de saída com amplitude ajustável. Este tipo de conversor, comumente integrado em fontes de alimentação de dispositivos como smartphones, assume uma função crucial ao ajustar a voltagem proveniente da bateria para níveis ideais necessários ao funcionamento dos circuitos eletrônicos.
Por último, os conversores CA-CA, comumente referidos como ciclo conversor, desempenham um papel fundamental ao converter uma voltagem de corrente alternada (CA) de entrada para produzir uma voltagem de corrente alternada de saída, cuja amplitude e frequência são controláveis. Exemplos notáveis desses dispositivos incluem circuitos empregados no controle de luminosidade e na gestão da velocidade de motores de indução, destacando-se pela capacidade de ajustar parâmetros fundamentais da energia elétrica para atender às demandas específicas de diferentes aplicações.
Essas distintas categorias de conversores desempenham papéis essenciais na garantia da eficiência e funcionalidade de sistemas elétricos, demonstrando a diversidade de aplicações e a importância de selecionar o tipo adequado para cada contexto específico.
⦁ Conversor Estático: Transformando a Energia Elétrica com Eficiência
A gestão eficaz do fluxo de energia elétrica é uma preocupação central para os engenheiros eletricistas, impulsionando a busca por métodos que garantam elevada eficiência. A Eletrônica de Potência emerge como uma resposta a essa demanda, proporcionando avanços significativos por meio dos conversores estáticos, também denominados conversores chaveados. Esses circuitos eletrônicos desempenham um papel fundamental no processamento e controle da energia elétrica, representando uma evolução notável no campo da engenharia elétrica.
Esses circuitos são complexos conjuntos de interruptores de potência e elementos passivos, como resistores, capacitores e indutores. Juntos, esses componentes operam em harmonia, realizando a conversão de diferentes formas de ondas de corrente, tornando-se assim verdadeiros “conversores”. Em termos simples, os conversores estabelecem uma ponte entre a fonte de energia e a carga, ajustando os níveis de tensão ou corrente da fonte para atender às exigências específicas da carga.
A eficiência desses conversores estáticos é notável, principalmente quando comparada às fontes lineares, evidenciando-se pelo alto rendimento e pelas dimensões compactas, além do peso reduzido (POMILIO, 2014; MEHL, 2012). Esse desempenho superior torna as fontes chaveadas cada vez mais atrativas em diversas aplicações, refletindo a tendência de substituição das fontes lineares, especialmente devido à busca contínua por dispositivos menores, mais leves e eficientes (LOPES, 2001).
Esses avanços na tecnologia de conversores estão intimamente ligados à crescente procura por eficiência energética e redução de custos. As fontes chaveadas, ao empregarem conversores CC-CC, desempenham um papel crucial ao modificar níveis de tensão contínua conforme necessário, seja para elevar ou reduzir esses níveis. A eficiência desses conversores, expressa pela relação entre a potência de entrada e a de saída, é um indicador crítico do seu desempenho global (POMILIO, 2014).
Os circuitos mais elementares desenvolvidos para a conversão CC-CC chaveada adotam uma abordagem simples, envolvendo um indutor, um capacitor e duas chaves, sendo um diodo como chave passiva e um transistor como chave ativa. Essa configuração específica é conhecida como “buck-boost” e é frequentemente utilizada em aplicações que demandam uma conversão eficaz de níveis de tensão (POMILIO, 2014).
Em síntese, os conversores estáticos representam uma inovação crucial na engenharia elétrica, desempenhando um papel vital na transformação eficiente da energia elétrica. O constante aprimoramento dessas tecnologias é um reflexo da busca incessante por soluções mais eficientes, sustentáveis e adaptáveis às crescentes demandas do cenário tecnológico moderno.
⦁ Metodologia
A condução deste estudo pautou-se em uma metodologia sistemática voltada para a identificação e resolução de problemas, conferindo especial ênfase a uma análise qualitativa das causas fundamentais. O processo metodológico desdobrou-se em fases distintas, compreendendo uma análise preliminar, a efetiva implementação das melhorias delineadas e a subsequente revisão dos procedimentos operacionais, seguida de um programa de treinamento direcionado aos operadores envolvidos. Essa abordagem, ancorada em princípios consolidados de gestão de qualidade, teve como desiderato a otimização do processo de montagem de conversores, alinhando-se de maneira intrínseca aos princípios do Design for Assembly (DfA). A aplicação desses métodos não apenas propiciou uma resolução eficaz dos desafios identificados, mas também pavimentou o caminho para aprimoramentos contínuos na eficiência operacional e na qualidade dos produtos, atendendo, assim, aos preceitos fundamentais do DFA.
⦁ Material para montagem de um conversor: Componentes Essenciais
A montagem eficiente de um conversor demanda a utilização de materiais específicos, cada um desempenhando um papel crucial no funcionamento do dispositivo. A Tabela 1 apresenta a lista detalhada dos materiais necessários para a fabricação, fornecendo uma visão abrangente dos componentes envolvidos no processo.
⦁ Material Utilizado nos Conversores Atuais: Foco nos Cabos AC
Os cabos AC desempenham um papel crucial na montagem dos conversores, sendo responsáveis por transportar energia elétrica e transmitir sinais elétricos. Na Figura 4, apresentamos o cabo AC, um condutor elétrico essencial, geralmente feito de cobre com isolamento duplo estanhado, cujo comprimento padrão é de 45mm.
A Figura 5 destaca o gabinete utilizado para a inserção desses cabos, ressaltando sua importância na estrutura dos dispositivos.
⦁ Material para Melhoria do Produto: Substituindo Cabos AC por Molas de Contato
Com o intuito de aprimorar o processo de montagem e simultaneamente reduzir custos, identificou-se a possibilidade de substituir os convencionais cabos AC por molas de contato em forma de placa inoxidável, conforme ilustrado na Figura 7. A escolha criteriosa do material, SUS301, um tipo de aço inoxidável resistente à corrosão e elevadas temperaturas, composto por cromo e níquel, revela-se ideal para aplicações que demandam propriedades de mola.
Esta estratégia de substituição não apenas simplifica a etapa de montagem, mas também promove melhorias substanciais na eficiência do produto final, atendendo integralmente aos requisitos de durabilidade e desempenho estabelecidos. Desta maneira, a cuidadosa seleção de materiais não apenas reflete um compromisso com a otimização contínua dos processos de produção de conversores, mas também evidencia uma postura proativa em direção à inovação e eficiência. Essa abordagem, alinhada com os princípios do Design for Assembly (DfA), reforça o comprometimento da pesquisa em não apenas resolver desafios específicos, mas em transformar tais soluções em alicerces sólidos para o constante aprimoramento do processo produtivo.
⦁ Resultados e Discussão
A incessante busca por estratégias que visem projetos mais simplificados, de fácil montagem e com redução significativa no número de peças representa não apenas uma aspiração, mas uma necessidade premente para organizações em âmbito global. Nesse contexto, a implementação da metodologia Design for Assembly (DfA) emergiu como fator crucial no processo de reprojetar um conversor estático, desempenhando um papel preponderante na simplificação do conjunto, na redução do volume de peças necessárias e, por conseguinte, nos custos envolvidos, como devidamente ilustrado no Gráfico 1.
Estudos de Boothroyd, Dewhurst e Knight (2001) indicam que aproximadamente 50% dos custos de manufatura estão intrinsecamente relacionados ao processo de montagem. A automação dessa etapa em produtos complexos, embora desejável, muitas vezes acarreta custos substanciais, gerando a reflexão de que, em algumas circunstâncias, redesenhar o produto pode ser mais econômico, simplificando o processo como um todo.
Ao analisar o processo de montagem dos cabos AC, evidencia-se a complexidade envolvida, exigindo uma equipe de quatro colaboradores para executar a soldagem dos cabos, além de um operador adicional para aplicar a cola. A potencial necessidade de retrabalho devido a soldagens inadequadas agravava ainda mais a complexidade operacional e os custos associados. Diante desse cenário desafiador, a introdução das molas de contato em substituição aos cabos AC revelou-se uma alternativa promissora.
A possibilidade de um único operador manipular um dispositivo projetado para a montagem das molas não apenas simplifica o processo, mas também implica um custo reduzido de R$ 1.900,00. O impacto expressivo desse novo custo é nitidamente retratado no Gráfico 1, representando apenas 15% do valor total anterior.
Esses resultados refletem não apenas a eficácia operacional resultante da aplicação da metodologia DfA, mas também a capacidade de inovação e adaptação da empresa diante de desafios complexos. Ao simplificar processos, reduzir custos e melhorar a eficiência, a empresa não apenas atende aos requisitos práticos da produção, mas também se posiciona estrategicamente como um agente de mudanças contínuas, alinhando-se aos princípios fundamentais de excelência operacional.
⦁ Considerações Finais
Os resultados advindos desta pesquisa delineiam uma evolução significativa no processo de montagem de conversores, traduzindo-se de maneira direta na significativa redução de custos e na eliminação da necessidade de mão de obra para retrabalho, efetivamente mitigando possíveis falhas no processo de montagem. A incorporação das molas de contato não apenas simplificou a complexidade do processo de montagem, mas também desempenhou um papel positivo e expressivo na qualidade do produto final.
A vantagem estratégica da implementação das molas de contato foi concebida com uma perspectiva ampla, abrangendo não apenas a otimização operacional, mas também a percepção do cliente. Ao proporcionar uma solução que não apenas aprimora o processo de montagem, mas também promove um impacto positivo potencial nos lucros do cliente, reforçamos nosso compromisso inabalável com os pilares fundamentais da qualidade, inovação e eficiência. Essa abordagem, perfeitamente alinhada aos princípios do Design for Assembly (DfA), situa a empresa não apenas como uma solucionadora habilidosa de desafios específicos, mas como uma força propulsora constante em direção à excelência operacional e satisfação ininterrupta do cliente.
Dessa forma, os resultados conquistados não apenas refletem a eficácia prática da aplicação das estratégias delineadas, mas também reforçam nossa posição de comprometidos com a evolução contínua, garantindo que cada passo dado esteja alinhado não apenas com as necessidades imediatas do processo de montagem, mas também com a visão a longo prazo de proporcionar soluções inovadoras e eficazes que transcendam as expectativas dos nossos clientes.
⦁ Referências
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