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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL ESCOLA DE ENGENHARIA
PROGRAMA DE MESTRADO PROFISSIONALIZANTE EM ENGENHARIA DE PRODUÇÃO
MELHORIA DA QUALIDADE NA ENGENHARIA DO
PRODUTO: UMA APLICAÇÃO EM CAPACITORES PARA
UPS
Marco Storck
Porto Alegre, dezembro de 2007
Marco Storck
MELHORIA DA QUALIDADE NA ENGENHARIA DO PRODUTO: UMA
APLICAÇÃO EM CAPACITORES PARA UPS
Dissertação submetida ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia de Produção da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul
como requisito parcial à obtenção do título de
Mestre em Engenharia de Produção,
modalidade Profissional, na área de
concentração em Sistemas da Qualidade.
Orientador: Profa. Dra. Liane Werner
Porto Alegre, dezembro de 2007
Esta dissertação foi analisada e julgada adequada para a obtenção do título de Mestre em Engenharia e aprovada em sua forma final pelo Orientador e pelo Coordenador do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção da Universidade Federal do
Rio grande do Sul
_______________________________________ Profa. Liane Werner, Dra.
Orientador PPGEP/UFRGS ____________________________________ Prof. Flávio Sanson Fogliatto, Ph.D.
Coordenador PPGEP/UFRGS
BANCA EXAMINADORA Profa. Ângela de Moura Ferreira Danilevicz, Dra. FENG/PUCRS Profa. Márcia Elisa Soares Echeveste, Dra. PPGEP/UFRGS Prof. Guilherme Luís Roehe Vaccaro, Dr. PPGEPS/UNISINOS
AGRADECIMENTOS
À minha mãe e ao meu pai, pelo valioso incentivo que sempre me deram. Seu
carinho e seu apoio foram de profunda importância.
À minha noiva, Andreza Daros, agradeço pela ajuda, compreensão e paciência
durante o período de conclusão deste estudo. Ao meu irmão, Théo Storck, que me auxiliou
com suas experiências e conhecimentos.
À UFRGS, pelas condições proporcionadas para a realização da pesquisa.
À minha orientadora, professora Dra. Liane Werner, pela ajuda e orientação desde o
início do projeto.
À EPCOS do Brasil, pela colaboração irrestrita e pelo incentivo no desenvolvimento
deste projeto.
A todos os amigos que, de alguma forma, contribuíram para que a realização deste
objetivo fosse possível.
RESUMO
A intensa busca pela melhoria contínua e redução de custos faz com que as empresas tenham que investir em pesquisa e desenvolvimento para continuarem no mercado internacional. O presente trabalho tem por objetivo a sistematização de um método para melhorar a qualidade de capacitores para a aplicação em UPS (Uninterruptible Power Supply, mais conhecido no Brasil como No Breake), utilizando as seguintes ferramentas da qualidade: QFD e FMEA de Produto. O QFD trouxe, pela primeira vez na história da empresa, a voz do cliente para dentro do desenvolvimento de uma forma sistemática e organizada. O FMEA de Produto uniu todo o conhecimento técnico disponível na empresa, com as diferentes visões de cada departamento. O FMEA também apontou os principais parâmetros técnicos que deveriam ser avaliados nos capacitores que estavam sendo desenvolvidos. Os dois métodos apontaram, entre outras necessidades, que se deveria realizar um estudo do desempenho térmico dos capacitores. A pesquisa teórica realizada guiou o estudo do desempenho térmico. Os testes executados apontaram a equação que define o modelo térmico da diferença de temperatura entre o ambiente e o ponto mais quente dentro do capacitor, para cada condição de aplicação do cliente. Assim, o resultado foi altamente satisfatório para a melhoria da qualidade dos produtos.
Palavras-chave: FMEA, QFD, capacitor, qualidade, aplicação UPS.
ABSTRACT
The intensive search for continuous improvements and cost reductions is making the companies to invest in research and development to keep the foreign business. This dissertation aims the systematization of a method to improve the quality of capacitors for UPS application (Uninterruptible Power Supply, most known in Brazil as No Breake), using the following quality tools: QFD and Product FMEA. The QFD brought, for the first time the history of the company, the voice of the customer for the development in a systematic and organized way. The Product FMEA united all technical knowledge available in the company, with the different perspective of each department. The FMEA also pointed the main technical parameters that must be evaluated in the capacitors that were being developed. The two tools pointed, among other needs, that a study of the thermal performance of the capacitors should be performed. The research performed guided the study of the thermal performance. The tests performed indicated the equation that define the thermal model of the difference, in temperature, from the environment and the hot spot inside the capacitor, for every application condition of the customer. The final result of the study was very satisfactory for the quality improvement of the products.
Key words: FMEA, QFD, capacitor, quality, UPS application.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Percentual das vendas investido em P&D em alguns setores da indústria ............... 13
Figura 2: Ciclo de realimentação cliente-marketing-projeto .................................................. 23
Figura 3: Etapas do projeto do produto ................................................................................. 25
Figura 4: Relação entre causa, modo e efeito ........................................................................ 34
Figura 5: Modelo de Qualidade de Kano .............................................................................. 44
Figura 6: Modelo Conceitual de QFD ................................................................................... 45
Figura 7: Exemplo de Matriz da Qualidade ........................................................................... 46
Figura 8: Conceito de Matriz do Produto .............................................................................. 52
Figura 9: Capacitor bobinado e suas partes ........................................................................... 55
Figura 10: Divisão da resistividade dos filmes ...................................................................... 59
Figura 11: Comportamento de ESR e suas parcelas RΩ e RD ................................................. 61
Figura 12: ESR x tensão ....................................................................................................... 62
Figura 13: ESR x freqüência................................................................................................. 62
Figura 14: ESR x freqüência................................................................................................. 65
Figura 15: Distribuição da EPCOS pelo mundo .................................................................... 68
Figura 16: EPCOS do Brasil ................................................................................................. 69
Figura 17: Bobina de capacitor em corte ............................................................................... 71
Figura 18: Bobina de Capacitor em corte, com schoopagem ................................................. 73
Figura 19: Bobinas de capacitor soldadas ............................................................................. 75
Figura 20: Bobinas dentro da caneca, com disco de fundo e disco intermediário ................... 75
Figura 21: Um friso aberto, dois frisos fechados vistos externamente e dois frisos fechados
visto em corte ....................................................................................................................... 76
Figura 22: Capacitor montado, com a caneca em corte e inteira ............................................ 77
Figura 23: Exemplo de construção interna de equipamento para UPS ................................... 79
Figura 24: Exemplo de construção interna de equipamento para UPS ................................... 80
Figura 25: Método proposto para melhorar a qualidade dos produtos .................................... 81
Figura 26: Posição dos termopares: (a) com duas bobinas e (b) com uma bobina .................. 90
Figura 27: Comportamento térmico com 40A, 45A, 50A e 55A de capacitor diâmetro 75mm
com uma bobina pequena ................................................................................................... 105
Figura 28: Comportamento térmico com 40A, 45A, 50A e 55A de capacitor diâmetro 75mm
com uma bobina grande ..................................................................................................... 107
Figura 29: Comportamento térmico com 40A, 45A, 50A e 55A de capacitor diâmetro 75mm
com duas bobinas pequenas ................................................................................................ 107
Figura 30: Comportamento térmico com 40A, 45A e 50A de capacitor diâmetro 75mm com
duas bobinas grandes .......................................................................................................... 108
Figura 31: Comportamento térmico com 55A de capacitor diâmetro 75mm com duas bobinas
grandes ............................................................................................................................... 109
Figura 32: Comportamento térmico com 40A, 45A e 50A de capacitor diâmetro 85mm com
uma bobina pequena ........................................................................................................... 110
Figura 33: Comportamento térmico com 55A de capacitor diâmetro 85mm com uma bobina
pequena .............................................................................................................................. 110
Figura 34: Comportamento térmico com 40A, 45A, 50A e 55A de capacitor diâmetro 85mm
com uma bobina grande ..................................................................................................... 111
Figura 35: Comportamento térmico com 40A, 45A, 50A e 55A de capacitor diâmetro 85mm
com duas bobinas pequenas ................................................................................................ 112
Figura 36: Comportamento térmico com 40A, 45A, 50A e 55A de capacitor diâmetro 85mm
com duas bobinas grandes .................................................................................................. 112
Figura 37: Resistência térmica versus volume .................................................................... 115
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Índices de Severidade .......................................................................................... 33
Tabela 2 – Índices de ocorrência .......................................................................................... 36
Tabela 3 – Índices de Ocorrência adotados ........................................................................... 37
Tabela 4 – Índices de detecção ............................................................................................. 38
Tabela 5 – Exemplo de conceitos de importância ................................................................. 49
Tabela 6 – Índices de Severidade .......................................................................................... 83
Tabela 7 – Índices de Ocorrência .......................................................................................... 84
Tabela 8 – Índices de Detecção ............................................................................................ 85
Tabela 9 – Escala de Importância (IDi)................................................................................. 86
Tabela 10 – Escala para avaliação competitiva (Mi) ............................................................. 87
Tabela 11 – Escala para avaliação estratégica (Ei) ................................................................ 87
Tabela 12 – Escala de relacionamento dos itens da qualidade demandada ............................. 88
Tabela 13 – Escala para dificuldade de atuação (Dj) ............................................................. 88
Tabela 14 – Escala para avaliação competitiva (Bj) .............................................................. 88
Tabela 15 – Escala de relacionamento das características da qualidade ................................. 89
Tabela 16 – Matriz de Testes ................................................................................................ 92
Tabela 17 – Compilação dos Questionários ........................................................................ 100
Tabela 18 – Tensões e correntes de cada harmônica ........................................................... 104
Tabela 19 – Temperaturas a 50A e 55A .............................................................................. 106
Tabela 20 – Temperaturas a 50A e 55A e respectiva resistência térmica ............................. 114
Tabela 21 – Resistência térmica versus volume .................................................................. 115
SUMÁRIO
AGRADECIMENTOS ........................................................................................................... 4
RESUMO............................................................................................................................... 5
ABSTRACT .......................................................................................................................... 6
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................ 7
LISTA DE TABELAS ........................................................................................................... 9
SUMÁRIO ........................................................................................................................... 10
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 12
1.1 COMENTÁRIOS INICIAIS........................................................................................ 12
1.2 Tema ........................................................................................................................... 15
1.3 Objetivos ..................................................................................................................... 15 1.3.1 Objetivos Secundários ........................................................................................... 15
1.4 Justificativa do Tema e dos Objetivos .......................................................................... 15
1.5 Método de Trabalho .................................................................................................... 17
1.6 Limitações do Trabalho ............................................................................................... 19
1.7 Estrutura do Trabalho .................................................................................................. 20
2 REFERENCIAL TEÓRICO .............................................................................................. 22
2.1 Desenvolvimento de Produto ....................................................................................... 22
2.2 Métodos de Desenvolvimento de Produtos .................................................................. 25 2.2.1 FMEA ................................................................................................................... 26 2.2.2 QFD ...................................................................................................................... 40
2.3 Estabilidade Térmica ................................................................................................... 54
3 ABORDAGEM PARA MELHORIA DE CAPACITORES DE POTÊNCIA ..................... 67
3.1 Cenário do Estudo ....................................................................................................... 67 3.1.1 Apresentação da Empresa ..................................................................................... 67 3.1.2 Apresentação do Produto e do Processo Produtivo ................................................ 70 3.1.3 Apresentação da Aplicação ................................................................................... 78
3.2 Método Proposto ......................................................................................................... 80 3.2.1 Uso do FMEA ....................................................................................................... 81 3.2.2 Uso do Método QFD ............................................................................................. 86 3.2.3 Método para a Definição do Modelo Térmico Matemático .................................... 89
4 APLICAÇÃO DA ABORDAGEM PROPOSTA ............................................................... 94
4.1 Aplicação do FMEA .................................................................................................... 94
4.2 Aplicação do QFD ....................................................................................................... 99
4.3 Realização dos Ensaios e Modelagem Térmica .......................................................... 103
4.4 Proposição de Melhorias ........................................................................................... 116
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS .......................................................................................... 118
1.2 Tema ......................................................................................................................... 118
1.3 Objetivos ................................................................................................................... 118 1.3.1 Objetivos Secundários ......................................................................................... 118
5.1 Conclusões ................................................................................................................ 119
5.2 Sugestões para Continuidade da Pesquisa .................................................................. 121
REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 123
GLOSSÁRIO ..................................................................................................................... 127
APÊNDICE I – FMEA DE PRODUTO.............................................................................. 128
APÊNDICE II – MATRIZ DA QUALIDADE DO QFD .................................................... 139
APÊNDICE III – MATRIZ DO PRODUTO DO QFD ....................................................... 140
APÊNDICE IV – PLANILHA DE CÁLCULO DA TEMPERATURA INTERNA DO CAPACITOR APÓS SER ATINGIDA ESTABILIDADE ................................................. 141
ANEXO 1 – Planilha de FMEA de Produto ........................................................................ 142
12
1 INTRODUÇÃO
Neste capítulo será apresentada uma breve introdução do trabalho realizado, seu
tema e objetivos, o método de trabalho, suas limitações e a estrutura deste trabalho.
1.1 COMENTÁRIOS INICIAIS
A intensa busca pela melhoria contínua e redução de custos faz com que as empresas
tenham que investir em pesquisa e desenvolvimento (P&D) para continuarem no mercado
internacional. Esta busca é cada dia mais evidente no exigente mercado de componentes
eletrônicos devido, entre outros aspectos, à concorrência das empresas asiáticas, que, com
produtos de qualidade muitas vezes duvidosa, invadem todos os mercados com preços
extremamente competitivos.
Conforme Cunha (2005), as exigências do mercado e a pressão da concorrência
levam as indústrias a procurarem produtos com custo de produção minimizados,
funcionalidade e operacionalidade maximizadas e padronizadas, índice de desempenho e de
tolerância a falhas incrementados, taxas positivas de retorno do investimento em pesquisa e
desenvolvimento de novos produtos. Porém, mais importante e mais difícil que alcançar o
topo do mercado, é manter-se neste patamar.
Uma das maneiras existentes para conservar-se no topo é a inovação tecnológica com
qualidade, custos competitivos e rentabilidade. Segundo Slack et al. (1999), além do mérito
do projeto do produto, o desenvolvimento contínuo de projetos e a criação de outros
totalmente novos ajudam a definir a posição competitiva da empresa.
Ainda segundo Slack et al. (1999), as idéias para o desenvolvimento de novos
produtos para a inovação tecnológica podem vir de diferentes fontes como (i) dos
13
consumidores, (ii) dos concorrentes, (iii) dos funcionários ou (iv) do Departamento de
Pesquisa e Desenvolvimento, sendo que este último possui função dupla, como o próprio
nome diz. Pesquisa significa procurar e trabalhar em novos conhecimentos e idéias para
resolver problemas. Desenvolvimento é o esforço para tentar utilizar as idéias vindas da
pesquisa. Para avaliar quanto a empresa inova tecnologicamente, pode-se analisar quanto ela
investe em pesquisa e desenvolvimento, comparando-a a outras empresas do mesmo ramo de
atuação. A Figura 1 apresenta uma idéia dos investimentos em P&D como porcentagem das
vendas de diversos setores da indústria. A empresa onde se realizou o estudo é do ramo
eletrônico e investe 5% de seu faturamento em P&D.
2,9%3,8%
5,8%
8,3%9,0%
16,1%
Remédios Serviços de
Saúde
Equipamentos
de Escritório e
Serviços
Eletrônica Aeroespacial Manufatura
Figura 1: Percentual das vendas investido em P&D em alguns setores da indústria
Fonte: Slack et al. (1999)
Muitas são as ferramentas e métodos desenvolvidos para desenvolvimento de
produtos e melhoria de sua qualidade. Dentre elas, duas se destacam por seu uso mundial e
pelos resultados comprovados em diversos ramos de atuação: (i) FMEA (Failure Mode and
Effects Analysis – Análise dos Modos e Efeitos de Falha) e (ii) QFD (Quality Function
Deployment – Desdobramento da Função Qualidade).
14
Segundo Freitas e Colosimo (1997), o objetivo de um FMEA é identificar os
potenciais modos de falha de um projeto e as suas probabilidades para que estes sejam
eliminados ou minimizados através de ações no projeto, o mais cedo possível. É um método
poderoso para antecipação de futuros problemas em projetos de produtos e processos, que está
baseada no conhecimento da equipe que trabalha no projeto.
Já o QFD, conforme Akao (1996) é um método para assegurar a vantagem
competitiva às organizações que pretendem conquistar clientes com um melhor planejamento.
Todo planejamento é realizado com o gerenciamento das necessidades do cliente, das
tecnologias e das estratégias da organização.
O uso de métodos de desenvolvimento de produtos como QFD e FMEA já se tornou
uma necessidade para as empresas que buscam garantir uma vantagem competitiva pela
melhoria da confiabilidade em relação às empresas concorrentes (FREITAS; COLOSIMO,
1997). Conforme Echeveste (2005), com a padronização da produção e a certificação através
de ISO e QS, o uso de métodos como QFD e FMEA passou a integrar também o processo de
desenvolvimento dos produtos como instrumentos de prevenção, na antecipação de possíveis
problemas ainda no projeto. Além do desenvolvimento de produtos, estes métodos têm sido
usados no desenvolvimento de soluções, na racionalização dos produtos e na definição de
controles. No concorrido mercado de componentes eletrônicos a utilização destes métodos é
vital. Conforme Echeveste (2005), o comprometimento da indústria com a melhoria contínua
de seus produtos e processos torna fundamental a aplicação de métodos como FMEA.
Componentes eletrônicos em geral apresentam uma forte relação entre seu período de
vida em campo com a temperatura de aplicação. Com a passagem da energia, é normal um
aquecimento do componente. Este auto-aquecimento somado ao aquecimento do ambiente
onde o componente está instalado é um dos principais fatores de redução da vida útil dos
componentes e, em alguns casos, de sua falha definitiva. Para realizar este estudo, podem ser
15
usados os métodos de desenvolvimento de produto QFD e FMEA. Estas podem fornecer os
caminhos para a melhor avaliação em um menor tempo.
1.2 Tema
A criação e aperfeiçoamento dos métodos de desenvolvimento e melhoria de
produtos foi um passo importante para a melhoria da qualidade do setor de desenvolvimento
das empresas. Conforme Woiler e Mathias (1996), elaborar um projeto de desenvolvimento
com cuidado e seriedade é um importante instrumento no planejamento a longo prazo, pois
reflete como são tomadas as decisões na administração da empresa. O tema deste trabalho está
direcionado exatamente para o aumento da qualidade e durabilidade dos produtos.
1.3 Objetivos
Dentro do contexto abordado, o objetivo principal do trabalho é a sistematização de
um método para melhorar a qualidade de capacitores, utilizando métodos de melhoria da
qualidade de produtos.
1.3.1 Objetivos Secundários
Os objetivos secundários do trabalho são:
- definir padrões e sistemáticas de desenvolvimento de capacitores;
- adaptar e aplicar os métodos FMEA e QFD na realidade da empresa onde será
realizado o estudo.
1.4 Justificativa do Tema e dos Objetivos
A justificativa para o tema está relacionada com a necessidade mundial de produtos
com mais qualidade. Para Mustafa (2005) a procura pela qualidade no setor industrial é uma
exigência para que as empresas permaneçam no mercado competitivo. Segundo Carnevalli et
16
al. (2002), a era da competitividade alterou a lógica de produção, voltando o foco para o
cliente. Ao longo desta evolução, foram desenvolvidos métodos para sistematizar a obtenção
de resultados satisfatórios. Segundo Kerzner (2005), o bom gerenciamento dos
desenvolvimentos aumenta os lucros e a organização das empresas, desenvolve um contato
mais próximo com os clientes, melhora o foco da empresa e fornece um processo estruturado
para solução de problemas.
Em componentes eletrônicos, como os capacitores, a necessidade de
desenvolvimentos organizados, tecnicamente embasados e precisos é uma necessidade, por
ser uma solicitação constante por parte dos clientes. Este desenvolvimento deve
preferencialmente ser realizado de maneira profissional, com métodos consagrados como o
QFD ou FMEA, o que demonstra a maturidade da empresa no gerenciamento de seus
desenvolvimentos. Na empresa onde foi realizado o estudo, não se utilizam métodos para
melhoria da qualidade produtos de forma sistemática.
Com relação aos capacitores, cada vez mais os clientes têm questionado seus
fornecedores quanto às temperaturas máximas no interior deste produto, durante a aplicação
do componente em campo, a durabilidade dos componentes, sua taxa de falha, entre outros
parâmetros. Como em muitos destes casos não há testes equivalentes para atender aos
questionamentos do cliente, o engenheiro se vê obrigado a fazer estudos, como o de
estabilidade térmica dos capacitores ou de simulação acelerada da vida do componente, para
poder responder ao cliente. Métodos como o QFD e o FMEA guiam o desenvolvimento do
produto de maneira que os testes necessários para atender os requisitos dos clientes não sejam
esquecidos.
Os estudos de estabilidade térmica, assim como os de expectativa de vida, são
baseados em testes demorados que exigem montagens especiais e, muitas vezes, os materiais
para a produção das amostras não estão disponíveis. Esta situação gera um atraso nas
17
respostas e descontentamento por parte dos clientes. Para Kerzner (2005), o sucesso de um
projeto depende do tempo de resposta, além do atendimento das metas de custos e qualidade.
Ainda segundo o autor, poucos projetos são completados sem alterações em relação ao
planejamento inicial do tempo, do custo ou da qualidade.
O uso de métodos como o FMEA auxilia a reduzir os riscos de falha do projeto
(ECHEVESTE, 2005). Para Garcia (2000), o FMEA é um método de análise de produtos
usado para identificar todos os possíveis modos de falha e determinar o efeito de cada um
sobre o desempenho do sistema, mediante um raciocínio bastante dedutivo.
Já o uso do QFD, segundo Akao (1996), é fundamental, pois oferece métodos
concretos para a garantia da qualidade no desenvolvimento de novos produtos e na melhoria
de produtos existentes, métodos estes que asseguram a qualidade em todos os processos a
partir da nascente do projeto. O QFD sugere a mudança de pensamento de product out para
market in, com a mudança do ponto de vista da empresa para o ponto de vista do cliente. O
QFD permite converter as demandas da qualidade dos clientes em características de qualidade
a se perseguir no projeto do produto.
Vincular métodos de desenvolvimento de produtos que já são consagrados e que
garantem um desenvolvimento seguro, com alta qualidade e custos reduzidos é o caminho
para a modelagem da estabilidade térmica dos componentes.
1.5 Método de Trabalho
A pesquisa científica empregada neste trabalho, sob o ponto de vista da sua natureza,
pode ser classificada como pesquisa aplicada. Segundo Roesch (1996), na pesquisa aplicada,
os pesquisadores trabalham para entender a natureza e a fonte dos problemas, focando em
questões consideradas importantes pela sociedade e buscando contribuições para teorias que
podem ser usadas para formular programas e intervenções de resolução de problemas.
18
Sob o ponto de vista da abordagem, este trabalho pode ser classificado como uma
pesquisa quantitativa, que será subsidiada por uma pesquisa qualitativa. Para Roesch (1996), a
pesquisa qualitativa, com seus métodos de coleta e análise de dados, é apropriada para a fase
inicia que é a fase mais exploratória da pesquisa. Ainda conforme o autor, as pesquisas
qualitativa e quantitativa são formas complementares de avaliação e não antagônicas já que a
qualitativa pode ser utilizada para melhorar a efetividade de um programa ou no caso de
proposição de planos. Já uma pesquisa quantitativa deve ser usada quando o propósito da
pesquisa é medir as relações entre as variáveis ou avaliar o resultado de um determinado
sistema ou projeto (ROESCH,1996).
Posto isto, este estudo inicia com uma pesquisa qualitativa, sendo que primeiramente
foi formada uma equipe com membros de diversas áreas da empresa. Em seguida, a equipe
cumpriu com as etapas de desenvolvimento do QFD e do FMEA de produto, seguindo os
passos de cada método. O QFD e o FMEA orientam a execução da parte quantitativa que
consiste na execução de diversas provas de estabilidade térmica. As provas de estabilidade
térmica consistem na medição da temperatura interna do componente em diversos pontos em
determinadas condições de corrente e temperatura.
Sob o ponto de vista dos objetivos esta pesquisa pode ser considerada como
explicativa, pois, segundo Gil (1994), este tipo de pesquisa visa identificar os fatores que
determinam ou contribuem para a ocorrência dos fenômenos. Com esta pesquisa, foram
obtidos valores da temperatura em vários pontos internos do capacitor. Uma vez registradas
estas medidas, pôde-se avaliar onde é o ponto de maior temperatura dentro do capacitor e qual
a relação da corrente, da temperatura externa e da capacitância com a temperatura no ponto.
O método de trabalho a ser empregado para atingir os objetivos propostos inicia com
um levantamento bibliográfico em livros e periódicos pertinentes, complementado por
19
material obtido na Internet, sobre os métodos que serão utilizadas no trabalho (QFD e FMEA)
e sobre estabilidade térmica.
Numa segunda etapa, foram apresentados os métodos utilizados para
desenvolvimento de produtos com base nos métodos QFD e FMEA, complementados pelos
métodos que serão utilizados para a modelagem da estabilidade térmica dos componentes.
Em seguida, com os conhecimentos adquiridos e com base nos métodos de
desenvolvimento de produtos estudados, realizou-se um estudo de caso onde foram
apresentadas os métodos de desenvolvimento de produto definitivas e os ensaios realizados
para a modelagem térmica.
A modelagem térmica, por sua vez, foi baseada numa bateria de ensaios. Em cada
um deles, foram medidas as temperaturas do componente em diferentes pontos, sob diferentes
condições de aplicação. Com as informações do comportamento das temperaturas de todos os
componentes nas condições avaliadas foram utilizados métodos matemáticos para a definição
do modelo térmico.
Após a conclusão do estudo de caso, foi possível obter conclusões importantes sobre
a estabilidade térmica sendo, então, apresentadas as considerações finais da pesquisa, com
sugestões para trabalhos futuros.
1.6 Limitações do Trabalho
Neste trabalho, mesmo que as técnicas de melhoria de qualidade no desenvolvimento
do produto possam ser aplicadas a vários produtos, os testes serão realizados somente em
produtos para aplicação em UPS (Uninterruptible Power Supply). Para esta aplicação, estão
definidas tensões nominais que foram definidas conforme as solicitações dos clientes. Além
disto, serão estudadas somente as tensões nominais definidas pela empresa onde será
realizado o estudo de caso.
20
Mesmo sendo justificável e aplicável a utilização de vários métodos para o
desenvolvimento dos produtos, somente serão abordadas os métodos de FMEA e QFD.
Os desenvolvimentos completos das matérias-primas dos produtos a serem
apresentados no estudo de caso não serão detalhados neste trabalho, bem como não serão
diretamente tratados assuntos relacionados ao custo do produto ou aos investimentos
necessários e disponíveis para o projeto do produto. Também não serão realizadas
comparações entre os produtos da empresa onde se realiza o estudo e os de seus concorrentes,
para a mesma aplicação.
Não serão tratados assuntos relativos às normas ambientais, bem como os
relacionados à segurança do produto. Cabe esclarecer que estes pontos são considerados
durante o projeto de todos os produtos e processos da empresa, mas não são alvos deste
estudo.
A linha de produção é outro fator importante no desenvolvimento do produto foco
deste trabalho, entretanto, sua avaliação não será abordada neste trabalho. Portanto, assuntos
relativos à linha de produção como seu layout, seus tempos de produção, seu fluxo, controles
e suas normas não serão apresentados neste trabalho.
1.7 Estrutura do Trabalho
O presente trabalho está estruturado em cinco capítulos, sendo que os assuntos
abordados em cada um deles estão expostos de acordo com a estrutura a seguir.
O primeiro capítulo apresenta a introdução com as considerações iniciais do assunto
que será tratado durante o trabalho. Também são apresentados o tema, seus objetivos e
limitações, o método adotado e sua caracterização, bem como esta estrutura.
21
O segundo capítulo traz o referencial teórico sobre os métodos FMEA e QFD no
desenvolvimento de produtos. Nele são enfocadas suas definições na ótica de diferentes
autores, suas principais aplicações e seu funcionamento no projeto de desenvolvimento de
produtos. Além desses métodos, é justificada a importância da estabilidade térmica para
componentes eletrônicos. Também são apresentadas as definições de hot spot e da técnica
utilizada para a identificação da estabilidade térmica dos componentes.
No terceiro capítulo é apresentado o método a ser usado na elaboração do trabalho
para desenvolver o produto e analisar sua estabilidade térmica.
O capítulo quatro trata do estudo de caso, desde a empresa até os resultados obtidos
com o FMEA e o QFD para o desenvolvimento do produto, além dos ensaios realizados
durante o projeto. Baseado nos resultados dos ensaios, é definido um modelo matemático para
a simulação da estabilidade térmica de qualquer componente sob determinadas condições de
aplicação definidas pelo cliente, mantendo as limitações descritas no capítulo um.
O quinto capítulo apresenta as conclusões e a síntese dos resultados obtidos durante o
desenvolvimento do trabalho, bem como sugestões para a continuidade deste trabalho com o
desenvolvimento de produtos nesta área.
22
2 REFERENCIAL TEÓRICO
Neste capítulo, primeiramente, será abordada uma introdução de desenvolvimento de
produto. Após, serão apresentados os métodos de desenvolvimento de produto utilizados, a
saber: QFD e FMEA. Por fim, um referencial teórico abrangendo a estabilidade térmica de
componentes eletrônicos e a sua importância. Estes conceitos serão usados no projeto de
desenvolvimento de capacitores para aplicação em UPS. Segundo Slack et al. (1999), projeto
é um conjunto de atividades que têm um ponto inicial e um estado final definidos que
perseguem uma meta definida e usam um conjunto definido de recursos.
2.1 Desenvolvimento de Produto
As ações implantadas pelas empresas que buscam uma posição de destaque estão
sendo direcionadas para as mudanças no gerenciamento do desenvolvimento de produtos
(NASCIMENTO, 2002). O desenvolvimento de produto é uma atividade presente no dia-a-dia
de muitas empresas. Para Slack et al. (1999), o desenvolvimento de produtos melhora a
competitividade da organização.
O objetivo de projetar produtos é satisfazer os consumidores atendendo a suas
necessidades e expectativas (SLACK et al., 1999). Observa-se, portanto, que o projeto de um
produto inicia e termina no consumidor. A primeira tarefa pertence ao marketing, que reúne
informações dos clientes para compreender e identificar suas necessidades e também procura
possíveis oportunidades de mercado. A segunda tarefa é dos projetistas. Eles devem criar as
especificações do produto, baseados em análise das necessidades e expectativas dos clientes
que são posteriormente analisadas pelo marketing. A especificação é usada pela produção que
fornece o produto aos clientes. Este ciclo está retratado na Figura 2.
23
Figura 2: Ciclo de realimentação cliente-marketing-projeto
Fonte: Slack et al. (1999)
Para Cheng (2000), o desenvolvimento de produtos é um campo vasto de
conhecimento que pode ser visto sob várias perspectivas, das quais as mais comuns são: (i) da
Engenharia de Produção, defendida por Clark e Wheelwright e (ii) do Marketing, defendida
por Dolan, Thomas, Urban e Hauser.
Existem também dois tipos de relatos distintos sob a perspectiva do engajamento de
pesquisa e acumulação de conhecimento. No primeiro, os relatos são tipicamente descritivos,
contendo, porém, sugestões. Caracterizam-se por serem não-intervencionistas e têm por
objetivo obter um retrato do presente. As etapas de pesquisa são: identificação do problema,
formulação da hipótese, identificação do universo, seleção da amostra, coleta de dados,
tratamento e análise dos dados, prova ou refutação da hipótese e conclusão. No segundo
grupo, os relatos têm um tom prescritivo. Visam, primeiramente, resolver um problema real,
e, portanto, a estratégia de pesquisa caracteriza-se por um maior envolvimento com a
situação. A riqueza de dados obtidos a partir deste envolvimento é mais importante que o
rigor científico (CHENG, 2000).
Para Carvalho (2006) o desenvolvimento de produtos pode ser dividido em seis
partes, que são: (i) identificar as oportunidades através das tendências do mercado, dos
produtos existentes e das necessidades dos clientes, (ii) definir o produto baseando-se nas
24
necessidades dos clientes, nas especificações dos produtos e no estilo básico do produto, (iii)
conceber o produto, (iv) projetar o produto, (v) proteger o produto da concorrência e (vi)
lançar o produto.
Para Slack et al. (1999), o resultado de um projeto é uma especificação bem
detalhada do produto, que exige uma coleta de informações que o definem totalmente com seu
conceito global (forma, função e benefícios do projeto), seu pacote (projeto de todos os
produtos individuais necessários para apoiar o conceito) e o processo pelo qual o pacote será
criado (especificando como os vários produtos no pacote devem ser produzidos). Para chegar
a este ponto, o projeto deve passar por diversas etapas. Embora, na prática, os projetistas
alterem as ordens de algumas delas, a Figura 3 mostra a ordem usual das etapas de
desenvolvimento de produtos (SLACK et al., 1999).
A geração do conceito de novos produtos pode vir de fontes externas à organização,
como consumidores e concorrentes, ou mesmo de fontes internas da organização, como
vendas ou planejamento e desenvolvimento (SLACK et al.,1999).
Com os conceitos gerados, inicia-se o projeto preliminar com os objetivos de ter uma
primeira versão das especificações dos produtos do pacote e de definir os processos para gerá-
lo. Nem todos os conceitos gerados são necessariamente desenvolvidos posteriormente. Cabe
ao projetista identificar quais deles devem seguir no projeto.
25
Triagem
Geração do conceito
Projeto Preliminar
Avaliação e Melhoria
Prototipagem e
Projeto Final
O Processo O PacoteO Conceito
Figura 3: Etapas do projeto do produto
Fonte: Slack et al. (1999)
Normalmente, os projetos preliminares apresentam pontos que devem ser
aperfeiçoados. Por este motivo, existe uma etapa de avaliação e melhoria do projeto. Somente
após a implementação das melhorias é que se inicia a prototipagem e o projeto final.
2.2 Métodos de Desenvolvimento de Produtos
Para a execução das etapas descritas anteriormente existem diversos métodos e
técnicas desenvolvidas para facilitar e padronizar o desenvolvimento. Para Cheng (2000), as
técnicas possuem diferenciação metodológica de acordo com o setor em que a indústria atua.
Exemplos de métodos existentes para o desenvolvimento de produtos e que são usualmente
utilizadas pelos departamentos de Planejamento e Desenvolvimento (P&D) são: (i) Design for
26
Manufacturing, (ii) Design for Assembly, (iii) Computer Aided Design (CAD), (iv)
Engenharia de Valor, (v) Failure Tree Analysis (FTA), (vi) Design for Six Sigma (DFSS), (vii)
Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) e (viii) Quality Function Deployment (QFD).
O QFD é um dos métodos mais completas, já que abrange várias das etapas citadas
anteriormente em um único método (SLACK et al., 1999). Além de utilizar grande quantidade
de dados, utiliza lógica de causa e efeito, realiza o desdobramento da análise dos dados por
etapas e correlaciona os dados (NASCIMENTO, 2002). O FMEA é outro método usado com
intensidade no desenvolvimento de produtos. Esta intensidade de uso se deve ao fato de ser
capaz de identificar possíveis modos de falha mesmo antes do lançamento do produto
(GARCIA, 2000).
Pelos motivos citados anteriormente e, por sua importância no desenvolvimento de
produtos, foram escolhidos os métodos de QFD e FMEA para o desenvolvimento deste
projeto os quais serão detalhados a seguir. Segundo Ginn et al. (1998), o FMEA deve ser
usado inicialmente para desenvolvimentos e planejamentos, com a ajuda posterior do QFD.
Para Fernandes e Rebelato (2006), o FMEA enfoca a análise dos riscos atuais e potenciais de
falha de cada função do produto. Ele objetiva manter as qualidades básicas do produto,
visando atingir o nível esperado de qualidade.
2.2.1 FMEA
Neste capítulo é apresentado o resultado da pesquisa realizada em publicações e
periódicos sobre FMEA.
2.2.1.1 Introdução e Histórico do FMEA
O FMEA foi desenvolvido pelo exército americano em novembro de 1949 e foi
inicialmente chamado de Procedimento para Analisar Criticamente os Modos de Falha e seus
Efeitos (Procedures for Performing a Failure Mode, Effects and Critical Analysis). Os modos
27
de falha eram classificados conforme seu impacto no sucesso das missões e na segurança dos
equipamentos usados (FMEA INFO CENTRE, 2006).
O FMEA (Failure Mode and Effect Analysis) é um método analítico utilizado pela
equipe de um projeto com o objetivo de garantir que os potenciais modos de falha e seus
efeitos sejam considerados e discutidos antes do término do projeto (ECHEVESTE, 2005).
Usualmente existem dois tipos de FMEA: (i) o FMEA de Produto e (ii) o FMEA de
Processo (FREITAS; COLOSIMO, 1997). O primeiro é utilizado no desenvolvimento de
produtos e projetos, enquanto que o segundo é aplicado no desenvolvimento e na análise dos
processos produtivos. Neste trabalho serão descritas somente as características do FMEA de
Produto, que é conhecido também como FMEA de Projeto ou DFMEA (Design Failure Mode
and Effect Analysis).
Segundo Freitas e Colosimo (1997), o objetivo do FMEA é identificar os modos de
falha em potencial dentro de um projeto, todas as probabilidades de falha catastróficas e
críticas, de tal maneira que possam ser eliminadas ou minimizadas através da correção do
projeto, o mais cedo possível.
De acordo com Palady (1997), o FMEA é um método muito eficiente e de mais
baixo risco para prevenção de problemas e identificação de soluções com baixo custo. Ele
permite que sejam mensurados os benefícios obtidos com sua implementação. Se for
implementado com eficácia, os benefícios serão percebidos pelos clientes e pela empresa,
com a redução dos custos de falhas.
Para Price (1997), esté método é usado extensivamente na indústria aeroespacial e
automotiva para verificar a segurança dos projetos elétricos e mecânicos, e para alertar para
qualquer problema com o projeto. Segundo Freitas e Colosimo (1997), seu uso deve ser
iniciado tão logo se disponha das informações preliminares do projeto, relacionadas aos
28
componentes. O FMEA relaciona os modos de falha com os efeitos, as causas da falha, seus
riscos e os mecanismos de prevenção da ocorrência. Seu uso consistente geralmente leva à
descoberta de problemas que não haviam sido antecipados e ao estabelecimento de
prioridades para a sua correção. O produto em questão pode ser um automóvel ou qualquer
uma de suas partes, variando somente as funções analisadas.
O FMEA é indicado para qualquer aplicação a qual se deseja garantir especificações
de clientes, mantendo as especificações de engenharia documentadas, com controle dos
processos e dos fornecedores, eliminando falhas potenciais e evoluindo no desenvolvimento
do produto. Seus maiores benefícios são: (i) plano de prevenção, (ii) identificação de
alterações da especificação, (iii) redução de custos, (iv) redução das perdas, (v) redução dos
custos de garantia e (vi) redução de custos não-agregados ao produto (FMEA INFO
CENTRE, 2006).
Para Marconcin (2004), o FMEA de Produto auxilia a reduzir os riscos de uma falha
já que (i) ajuda na avaliação objetiva dos requerimentos do projeto, (ii) auxilia na avaliação
objetiva das alternativas de projeto, (iii) facilita a manufatura e montagem, (iv) aumenta a
probabilidade de que todos os modos potenciais de falha e seus efeitos sejam analisados, (v)
potencializa o conhecimento de todos os engenheiros em relação aos aspectos importantes da
qualidade e confiabilidade do produto, (vi) prioriza os aspectos da qualidade e confiabilidade
do produto, ordenando as ações de melhoria, (vii) fornece um formato aberto de análise e
(viii) provê um referencial que auxilia na avaliação e implementação de futuras alterações.
O FMEA é dividido em etapas e cada uma pode ser dividida em diferentes pontos a
serem discutidos durante seu uso. É necessário executar duas delas antes do uso do FMEA.
São elas: (i) estabelecer os requisitos dos clientes e (ii) definir a equipe (FREITAS;
COLOSIMO, 1997). Segundo FMEA Info Centre (2006a), é importante salientar que o FMEA
deve ser uma parte integral dos desenvolvimentos e que deve ser periodicamente atualizado
29
para refletir as alterações no desenvolvimento ou nas aplicações. A atualização do FMEA
deve ser a maior preocupação na revisão dos desenvolvimentos, inspeções ou outras
alterações importantes no projeto.
2.2.1.2 Etapas da Execução de um FMEA
Para se iniciar o uso do FMEA, é necessário conhecer os requisitos do cliente para
definir as principais funções do produto que está sendo desenvolvido. Para Freitas e Colosimo
(1997), o FMEA deve ser iniciado tão logo se disponha de informações preliminares do
projeto e tem que ser revisado à medida que informações adicionais estejam disponíveis.
O FMEA pode, inclusive, ser realizado com informações limitadas do
desenvolvimento, mas, neste caso, algumas perguntas básicas devem ser respondidas durante
o FMEA. São elas: (i) como cada parte pode possivelmente falhar, (ii) quais mecanismos
podem produzir estes modos de falha, (iii) quais podem ser os efeitos se estas falhas
ocorrerem, (iv) esta falha está numa direção segura ou não, (v) como pode se detectar a falha e
(vi) o que existe no design do produto para compensar esta falha (FMEA INFO CENTRE,
2006a).
Após o recebimento dos dados, forma-se a equipe que trabalhará no FMEA. Para
Freitas e Colosimo (1997), a utilidade do FMEA como um método de análise de projeto
depende de dois fatores: (i) qualidade de informações utilizadas para sua confecção e (ii)
eficácia com a qual o conhecimento gerado a respeito de um problema é comunicado logo no
início do projeto, possibilitando, assim, que as ações corretivas e preventivas sugeridas
possam ser analisadas e implementadas. Estes dois fatores dependem diretamente da escolha
do pessoal que fará parte da equipe do FMEA.
Conforme Echeveste (2005), o responsável pelo FMEA deve envolver ativamente na
análise representantes de todas as áreas afetadas, como (i) materiais, (ii) manufatura, (iii)
30
montagem, (iv) qualidade e (v) assistência técnica, além de outras que forem necessárias e que
variem conforme a área de atuação do projeto. Precisam ser envolvidos também os projetistas
de outros itens que interagem com o item que está sendo projetado. O FMEA também deve
estimular a troca de idéias entre os setores envolvidos no projeto.
Há muitos documentos disponíveis e que devem ser usados pelo grupo que está
realizando o FMEA de um determinado produto. Entre eles destacam-se: (i) demanda dos
clientes, (ii) desempenho da concorrência, (iii) dados da assistência técnica, (iv) normas e (v)
capabilidade da manufatura (ECHEVESTE, 2005). Além destes, FMEA Info Centre (2006)
acrescenta as necessidades e os desejos dos clientes, sempre perguntando o que o produto está
sendo projetado para fazer e o que ele está sendo projetado para não fazer. Para FMEA Info
Centre (2006b), os modos de falha e os efeitos podem variar o nível dos detalhes, dependendo
do aprofundamento necessário e das informações disponíveis. Com a maturidade do projeto e
o aumento de informações, o FMEA se torna cada vez mais completo.
Uma vez definidos os requisitos dos clientes e estabelecida a equipe que realizará o
FMEA, procede-se com a utilização do método. O FMEA normalmente tem o aspecto de uma
planilha, conforme exemplo no Apêndice I. Nas colunas estão dispostos os pontos da planilha
que serão descritos a seguir e que são norteadores das etapas que se segue para construir
FMEA do Produto.
• Cabeçalho
Para iniciar a construção do FMEA como um documento, deve-se definir os itens do
cabeçalho. O cabeçalho do FMEA possui as principais informações do documento como
(INSTITUTO DA QUALIDADE AUTOMOTIVA, 2001):
- Número do FMEA: número do documento definido pela empresa;
- Identificação do Item: identificação do componente/subsistema/sistema;
31
- Modelo/Ano;
- Departamento;
- Responsável pelo projeto: nome do fabricante do componente. Deve ser incluído
também o nome do fornecedor, se aplicável;
- Preparado por: nome e telefone do responsável pelo FMEA;
- Datas: registro da data da primeira e da última edição do FMEA;
- Equipe do FMEA: lista com o nome e o departamento de cada um dos
componentes do grupo com autoridade para identificar e/ou realizar tarefas.
• Definição das Funções
Para iniciar a construção da planilha de FMEA propriamente dita, a primeira parte
consiste na definição das funções que serão realizadas pelo produto. Para Freitas e Colosimo
(1997) e Echeveste (2005), a função é uma descrição concisa e exata da tarefa que o item
deve desempenhar. Caso haja mais de uma função, elas devem ser listadas separadamente.
Pedott (2005) sugere que seja usado o fluxograma com as partes do produto, que
sejam utilizados verbos transitivos na descrição das funções e que funções extensas ou
complexas sejam desmembradas e analisadas separadamente. Também devem ser incluídas as
especificações requeridas. Quando todas as funções estiverem definidas e listadas, deve se
discutir os possíveis modos de falha para cada uma das funções.
• Modos de Falha
O modo de falha é a descrição pela qual o item pode falhar. Deve ser expresso em
termos físicos e não em termos que o cliente observa (FREITAS; COLOSIMO, 1997). Os
modos de falha são as maneiras pelas quais o produto potencialmente falharia em atender à
função para a qual será projetado. (INSTITUTO DA QUALIDADE AUTOMOTIVA, 2001).
32
Devem ser listados todos os modos potenciais de falha, pertinentes a cada item ou função,
cuja probabilidade de ocorrência não seja nula (ECHEVESTE, 2005). Já para o FMEA Info
Centre (2006), os modos de falha devem cobrir todas as maneiras pelas quais os produtos
podem falhar, incluindo falhas randômicas ou por degradação. Não devem ser listados modos
de falha que possam ocorrer durante a produção ou montagem do produto. Estes devem estar
previstos no FMEA de Processo (FMEA INFO CENTRE, 2006).
Os modos de falha comumente encontrados nos FMEAs de produto são: (i)
deformações mecânicas como fissura, (ii) fraturas e afrouxamentos, (iii) oxidação, (iv) curto
circuito vazamento. Com os modos de falha definidos, listam-se todos os efeitos que estes
modos de falha podem causar.
• Efeitos da Falha
É a forma pela qual se manifesta o modo de falha (PEDOTT, 2005). Os efeitos
potenciais da falha também podem ser definidos como os efeitos do modo de falha na função,
como percebidos pelo cliente (INSTITUTO DA QUALIDADE AUTOMOTIVA, 2001). Os
efeitos devem ser estabelecidos em termos do sistema, subsistema ou componente que está
sendo analisado. Normalmente, para cada modo de falha existe somente um efeito
correspondente.
Já para Freitas e Colosimo (1997), o efeito da falha é a conseqüência da ocorrência
do modo de falha percebida ou não pelo cliente, podendo ser local (não afeta outros
componentes) ou global (afeta outras funções ou componentes).
Os típicos efeitos potenciais de falha são os seguintes: (i) ruído, (ii) operação
intermitente, incorreta ou falta de operação, (iii) aspecto desagradável ou falha de aparência e
(iv) instabilidade. Para cada efeito deve ser avaliada a severidade.
33
• Severidade
A severidade (S) é medida por uma escala de um a dez, em que um significa efeito
pouco severo e dez significa efeito muito severo. A severidade aplica-se somente ao efeito e o
valor da severidade para cada efeito deve ser consenso entre os componentes do grupo
(ECHEVESTE, 2005).
A severidade é a classificação ao efeito mais grave para um dado modo de falha.
Para cada efeito atribui-se um valor de severidade e para cada modo de falha prevalecerá o
grau de severidade de maior valor dos efeitos listados (INSTITUTO DA QUALIDADE
AUTOMOTIVA, 2001). A severidade é também uma estimativa de quão difícil será a
execução da operação seguinte (FMEA INFO CENTRE, 2006). A Tabela 1 apresenta os
valores de severidade que podem ser utilizados.
Tabela 1 – Índices de Severidade
Efeito Critério: Severidade do Efeito SeveridadePerigoso sem aviso
prévio
A falha afeta a segurança da operação e/ou envolve não
conformidade com a legislação sem aviso prévio
10
Perigoso com aviso
prévio
A falha afeta a segurança da operação e/ou envolve não
conformidade com a legislação com aviso prévio
9
Muito Alto Produto inoperável (perda da função primária) 8
Alto Produto operável, mas com nível de desempenho reduzido.
Cliente bastante insatisfeito.
7
Moderado Produto operável mas com item de conforto/conveniência
inoperáveis. Cliente insatisfeito.
6
Baixo Produto operável mas com item de conforto/conveniência
operáveis com desempenho reduzido. Cliente um tanto
insatisfeito.
5
Muito Baixo Itens de ajustes não conformes. Defeito notado por mais de
75% dos clientes
4
Menor Itens de ajustes não conformes. Defeito notado por mais de
50% dos clientes
3
Muito Menor Itens de ajustes não conformes. Defeito notado por mais de
25% dos clientes
2
Nenhum Sem efeito perceptível 1
(Fonte: INSTITUTO DA QUALIDADE AUTOMOTIVA, 2001)
34
• Classificação
A coluna de classificação pode ser usada para qualquer característica especial do
produto, para um componente, subsistema ou sistema que possa requerer controles adicionais
do projeto ou processo (INSTITUTO DA QUALIDADE AUTOMOTIVA, 2001).
Para Echeveste (2005), as possíveis classificações a serem usadas podem ser de (i)
crítico para segurança, (ii) crítico para a qualidade, (iii) alterada a função, (iv) alterada a
condição de uso, (v) itens novos (desenho/material).
• Causas e Mecanismos Potenciais de Falha
A causa Potencial da Falha é definida como uma indicação de uma deficiência do
projeto, cuja conseqüência é o modo de falha (INSTITUTO DA QUALIDADE
AUTOMOTIVA, 2001). Na Figura 4, observa-se ainda que o modo de falha reflete no efeito
observado pelo cliente (PEDOTT, 2005).
Figura 4: Relação entre causa, modo e efeito
Fonte: Pedott (2005)
As causas do modo de falha são os acontecimentos que, do ponto de vista do
projetista, poderiam, por omissão ou uso indevido, resultar no modo de falha (FMEA INFO
CENTRE, 2006). Para Echeveste (2005), algumas possíveis causas podem ser: (i)
especificação incorreta do material, (ii) vida útil inadequada, (iii) tolerância indevida, (iv)
falta de normas de desenho/desenvolvimento, (v) sobrecarga, (vi) lubrificação insuficiente e
(vii) proteção insuficiente ao ambiente.
35
Os mecanismos de falha típicos podem incluir: (i) fadiga, (ii) escoamento, (iii)
instabilidade elástica, (iv) deformação lenta, (v) desgaste, (vi) corrosão, (vii) fusão, (viii)
oxidação química e (ix) eletromigração (ECHEVESTE, 2005 e INSTITUTO DA
QUALIDADE AUTOMOTIVA, 2001).
• Ocorrência
Ocorrência (O) é a probabilidade de um mecanismo específico ocorrer durante a vida
do produto, que pode ser expresso por um índice. A única forma de reduzir efetivamente o
índice de ocorrência é prevenindo ou controlando as causas/mecanismos do modo de falha,
através de uma alteração do projeto ou no processo (INSTITUTO DA QUALIDADE
AUTOMOTIVA, 2001).
Para Freitas e Colosimo (1997), a ocorrência é definida em função da estimativa da
probabilidade de ocorrência de uma causa da falha e dela resultar o modo de falha no produto,
dentro de um intervalo de tempo especificado.
A probabilidade de ocorrência de causa/mecanismo de falha potencial é estimada em
uma escala de um a dez. A Tabela 2 define os critérios a serem adotados para a definição da
ocorrência de cada causa, conforme norma QS9000. Para Echeveste (2005), os critérios
usados na definição da escala devem ser consistentes, para assegurar continuidade nos
estudos. Na determinação da probabilidade de ocorrência, algumas questões deveriam ser
consideradas (INSTITUTO DA QUALIDADE AUTOMOTIVA, 2001):
a) Qual a experiência/histórico de campo com o componente?
b) O componente é proveniente ou similar ao nível anterior de componente?
c) Qual o significado das alterações em relação a uma versão mais antiga de
componente?
36
d) O componente é radicalmente diferente de um componente de um nível
anterior?
e) O componente é completamente novo?
f) A aplicação do componente mudou?
g) Quais as modificações no meio ambiente?
h) Foi utilizada uma análise de engenharia para estimar a taxa esperada de
ocorrência comparável para a aplicação?
i) Controles preventivos foram colocados em prática?
Tabela 2 – Índices de ocorrência
Probabilidade de Falha Taxas de Falha Possíveis Índice de Ocorrência≥ 100 por mil itens 10
50 por mil itens 9
20 por mil itens 8
10 por mil itens 7
5 por mil itens 6
2 por mil itens 5
1 por mil itens 4
0,5 por mil itens 3
0,1 por mil itens 2
Remota: Falha improvável ≤ 0,01 por mil itens 1
Muito Alta: Falhas Persistentes
Alta: Falhas Freqüentes
Moderada: Falhas Ocasionais
Baixa: Relativamente
Poucas Falhas
(Fonte: INSTITUTO DA QUALIDADE AUTOMOTIVA. 2001)
Entre as literaturas pesquisadas, como do Instituto da Qualidade Automotiva (2001),
de Echeveste (2005) e do FMEA Info Centre (2006 e 2006a), existem diferentes critérios para
a definição dos índices de ocorrência, porém neste trabalho serão adotados os índices da
empresa onde se realiza o estudo, apresentados na Tabela 3.
37
Tabela 3 – Índices de Ocorrência adotados
Probabilidade de Falha PPM Índice de OcorrênciaQuase Certa ≥100.000 10
Muito Alta 50.000 9
20.000 8
10.000 7
5.000 6
2.000 5
1.000 4
500 3
100 2
Remota ≥10 1
Alta
Moderada
Baixa
(Fonte: GQ69, 2006)
• Controles Atuais do Projeto
Os controles objetivam prevenir a ocorrência ou detectar as falhas ocorridas e
impedir que cheguem ao cliente (FREITAS; COLOSIMO, 1997). Para o FMEA Info Centre
(2006), os controles de projeto são ações realizadas como parte normal do desenvolvimento e
que são designadas a minimizar a ocorrência de falhas ou aumentar a detecção de modos de
falha específicos. Os controles de projeto devem se relacionar diretamente com a prevenção
e/ou detecção de causas específicas de falha. Sendo assim, as atividades de prevenção,
validação/verificação do projeto devem ser listadas.
Existem dois tipos de controles de projeto a considerar (INSTITUTO DA
QUALIDADE AUTOMOTIVA, 2001):
a) prevenção: prevenir a ocorrência da causa/mecanismo de falha ou modo de falha,
ou reduzir a sua taxa de ocorrência;
b) detecção: Detectar a causa/mecanismo de falha, tanto por métodos analíticos ou
físicos, antes do item ser liberado para produção.
38
• Detecção
Detecção (D) é o índice associado ao melhor controle de detecção listado nos
controles atuais do projeto, para cada modo de falha. Para reduzir o índice de detecção
(melhorar a detecção) deve-se, geralmente, melhorar o planejamento do controle do projeto
(validação e/ou verificação) (INSTITUTO DA QUALIDADE AUTOMOTIVA, 2001). Os
tipos de controles comumente implementados, segundo Pedott (2005), são: (i) inspeções, (ii)
medições e (iii) Poka Yoke.
Também é usada uma escala de um a dez para avaliar a detecção. O critério de
avaliação deve ser definido por consenso pelo grupo que está realizando o FMEA e, então,
utilizado com consistência (ECHEVESTE, 2005). A Tabela 4 define os critérios a serem
adotados para a definição da detecção, conforme norma QS9000.
Tabela 4 – Índices de detecção
DetecçãoCritério: Probabilidade de detecção pelo Controle de Projeto
Índice de DetecçãoAbsoluta incerteza Controle de projeto não irá e/ou não pode detectar uma
causa/mecanismo potencial e subseqüente modo de falha; ou
não existe Controle de Projeto
10
Muito remota Possibilidade muito remota que o Controle de Projeto irá
detectar uma causa/mecanismo potencial e subseqüente modo
de falha
9
Remota Possibilidade remota que o Controle de Projeto irá detectar
uma causa/mecanismo potencial e subseqüente modo de falha
8
Muito Baixa Possibilidade muito baixa que o Controle de Projeto irá detectar
uma causa/mecanismo potencial e subseqüente modo de falha
7
Baixa Possibilidade baixa que o Controle de Projeto irá detectar uma
causa/mecanismo potencial e subseqüente modo de falha
6
Moderada Possibilidade moderada que o Controle de Projeto irá detectar
uma causa/mecanismo potencial e subseqüente modo de falha
5
Moderadamente Alta Possibilidade moderadamente alta que o Controle de Projeto
irá detectar uma causa/mecanismo potencial e subseqüente
modo de falha
4
Alta Possibilidade alta que o Controle de Projeto irá detectar uma
causa/mecanismo potencial e subseqüente modo de falha
3
Muito Alta Possibilidade muito alta que o Controle de Projeto irá detectar
uma causa/mecanismo potencial e subseqüente modo de falha
2
Quase Certamente O Controle de Projeto irá quase que certamente detectar uma
causa/mecanismo potencial e subseqüente modo de falha
1
(Fonte: INSTITUTO DA QUALIDADE AUTOMOTIVA, 2001)
39
• Número de Prioridade de Risco (NPR)
O Número de Prioridade de Risco (NPR) é o produto dos índices de Severidade (S),
de Ocorrência (O) e de Detecção (D), conforme equação (1).
NPR = O x S x D (1)
onde: O é o índice de ocorrência, S é o nível de severidade e D é o nível de detecção.
Quanto maior for a ocorrência e a severidade, e quanto pior for a detecção, maior
será o risco. Portanto a equipe deve deslocar sua atenção e concentrar seus esforços nos itens
onde o risco é maior (ECHEVESTE, 2005).
• Ações Recomendadas
Com o cálculo dos riscos de cada modo de falha concluído, o grupo deve concentrar
ações de melhoria em todos os pontos onde o risco é maior e naqueles classificados como
críticos ou significativos. As ações corretivas devem ter impacto sobre os índices de
severidade, detecção e ocorrência, para então, reduzir o risco (FMEA INFO CENTRE, 2006).
Alterações no projeto podem reduzir a severidade do efeito ou a probabilidade de
ocorrência do modo de falha. A detecção do modo de falha pode ser melhorada com ações nas
etapas de verificação/validação do projeto. Além disto, quando a severidade for nove ou dez
deve-se assegurar que o risco seja controlado através de controles de projeto existentes
(INSTITUTO DA QUALIDADE AUTOMOTIVA, 2001).
O engenheiro deve se responsabilizar para que todas as ações recomendadas sejam
efetivamente implementadas ou adequadamente abordadas. O FMEA é um documento
dinâmico que deveria refletir o último nível de alteração do projeto (INSTITUTO DA
QUALIDADE AUTOMOTIVA, 2001).
40
• Responsável pelas Ações Recomendadas e Data
Realizar melhorias envolve responsabilidade. Por isto, para a tarefa, é necessário
indicar um responsável. Na coluna Responsável pelas Ações Recomendadas são apresentados
os responsáveis por toda tarefa, bem como o prazo de conclusão de cada ação.
• Risco Resultante
Na coluna ao lado do nome do responsável e da data de conclusão de cada ação é
inserida uma nova coluna com o risco resultante após a implementação da ação. Este valor é
uma aproximação esperada e deve ser confirmado após a implementação das ações.
Em alguns casos, como na empresa onde se realiza o estudo, são colocados também
os novos índices de ocorrência, severidade e detecção que geraram o novo NPR esperado após
a implementação da ação.
Seguindo o roteiro apresentado, o FMEA torna-se um poderoso aliado na detecção de
problemas potenciais do produto, mesmo durante a fase de desenvolvimento. Mas o FMEA
sozinho não consegue fazer todo o desenvolvimento do produto, pois não contempla a voz do
cliente. Para desenvolver o produto, usando a criatividade dos projetistas baseado nas
necessidades do mercado pode ser usado o QFD.
2.2.2 QFD
Neste capítulo é apresentado o resultado da pesquisa realizada sobre QFD em
publicações e periódicos
• 2.2.2.1 Introdução e histórico do QFD
O QFD (Quality Function Deployment), cuja tradução para o português é
Desdobramento da Função Qualidade é uma conversão das demandas dos consumidores em
características de qualidade, desenvolvendo produtos acabados com qualidade de projeto. No
QFD os relacionamentos são desdobrados sistematicamente entre as demandas e as
41
características, começando com a qualidade de cada componente funcional e estendendo o
desdobramento para a qualidade de cada parte e do processo (AKAO, 1997).
Para Yacuzzy e Martín (2003), o QFD é um método de desenvolvimento de produtos
e serviços que ouve a voz do cliente, a traduz, em passos sucessivos, às características de
design e operação que satisfazem as demandas e expectativas do mercado. O QFD se tornou
um elemento integrador das distintas áreas da empresa, como marketing, engenharia e
qualidade.
Para Ribeiro et al. (2000), o QFD (i) é um método de gestão, pois auxilia no
gerenciamento de projetos simples ou complexos, (ii) é um método de planejamento, pelo
qual os esforços de engenharia são deslocados para a fase de planejamento, (iii) é um método
de solução de problemas, listando o que precisa ser realizado e como pode ser realizado, (iv)
facilita a modelagem do conhecimento, descobrindo o conhecimento técnico da equipe e (v)
fornece abertura à criatividade e inovações através de discussões multisetoriais em um
ambiente de engenharia simultânea.
O QFD foi concebido no Japão no final da década de 1960, em uma era em que a
indústria japonesa alterou seu método de produção pós Segunda Guerra Mundial de cópia e
imitação para um modelo de desenvolvimento de produto baseado na originalidade. Foi
desenvolvido como um método ou conceito para desenvolvimento de novos produtos. O livro
Quality Function Deployment foi o primeiro a ser publicado sobre QFD, em 1978. Os autores
foram o Dr.Shigeru Mizuno e Yoji Akao (AKAO, 1997).
O QFD foi apresentado para diversas empresas sem gerar muita empolgação. Até que
em 1972, no Estaleiro Kobe da Mitsubishi Heavy Industries, foi apresentada uma matriz que
garantia a qualidade dos desenvolvimentos, já que sistematizava a relação entre as
necessidades dos clientes e as características da qualidade incorporadas nos produtos. Esta
42
matriz da qualidade é hoje o núcleo principal do QFD. Com isto foi criado o QD (Quality
Deployment) (YACUZZY; MARTÍN, 2003).
Em 1975, a Sociedade Japonesa de Controle da Qualidade, dirigida por Yoji Akao,
estabeleceu um comitê para estudar o QFD. Em 1987, este comitê publicou um relatório final
da aplicação do QFD em 80 empresas japonesas, onde o método foi utilizado com os
objetivos de (i) estabelecimento da qualidade do desenvolvimento, (ii) realização de
benchmarking com os produtos da concorrência, (iii) desenvolvimento de novos produtos
para impulsionar a empresa à frente da concorrência, (iv) análise de informações sobre a
qualidade no mercado, (v) comunicação com processos posteriores sobre informações da
qualidade, (vi) redução do número de problemas iniciais de qualidade, (vii) redução do
número de alterações de desenho, (viii) redução do tempo de desenvolvimento, (ix) redução
dos custos de desenvolvimento e (x) aumento da participação de mercado (YACUZZY;
MARTÍN, 2003).
O primeiro contato dos ocidentais com o QFD ocorreu durante uma visita do Dr.
Ishikawa à Ford Motors Co. nos Estados Unidos. Após esta visita, houve um aumento do
interesse da Ford, que desencadeou uma série de visitas ao Japão para estudar o método
(DANILEVICZ, 2005). Desde então, o QFD tem sido utilizado em diferentes ramos da
indústria, contribuindo para a qualidade dos produtos e redução dos custos. Além disto,
muitas alterações ocorreram ao longo dos anos, visando aprimorar o método original e
acompanhar o desenvolvimento e a evolução de processos industriais e de serviços (AKAO,
1996).
Para Fernandes e Rebelato (2006), o QFD enfoca a satisfação e desempenho do
produto em relação ao cliente. Para Ginn et al. (1998), o QFD tem o objetivo de trazer a voz
do cliente para o desenvolvimento.
43
Como as diferentes definições já mencionaram, o QFD é um método para
desenvolvimento de produtos onde se deseja ouvir a voz do cliente e garantir um produto de
qualidade e sucesso. Para Yacuzzy e Martín (2003), o núcleo conceitual do QFD relaciona as
exigências dos clientes às características técnicas necessárias para satisfazê-las.
Segundo Kano apud Hearon e Mazur (2002), existem três tipos de exigências de
clientes: (i) exigências normais, que são aquelas típicas exigências que as pessoas de vendas
ouvem somente perguntando o que o cliente deseja, (ii) exigências compulsórias, que são
normalmente tão básicas que os clientes podem talvez nem lembrar de solicitá-las, até que
falhem. São exigências básicas do serviço, que quando ausentes geram alta insatisfação do
cliente e (iii) exigências desafiadoras, que são difíceis de descobrir. Estão além das
expectativas do cliente e sua ausência não causa insatisfação, mas sua existência satisfaz em
muito o cliente. É o tipo de serviço que faz com que os clientes voltem. O QFD também pode
ser usado também como uma ferramenta para ganhar a lealdade do cliente. Ouvindo a voz do
cliente e, como resultado deste trabalho, desenvolvendo pequenos diferenciais do produto,
não se limitando ao preço de venda, as empresas têm aumentado seus lucros (HEARON;
MAZUR, 2002). O modelo de qualidade de Kano, na Figura 5, demonstra os três tipos de
exigências dos clientes.
44
satisfação do cliente
insatisfação do cliente
suprir as expectativas
não suprir as expectativas
Exigências Normais
Exigências Compulsórias(óbvias)
Exigências Desafiadoras
Figura 5: Modelo de Qualidade de Kano
Fonte: Kano apud Haeron e Mazur (2002)
Além do desenvolvimento de novos produtos, o QFD pode ser usado também na
melhoria dos pontos negativos de produtos existentes. É possível utilizá-lo como método para
relacionar os dados da assistência técnica ao desempenho do processo de desenvolvimento de
produtos, para, assim, ter produtos que agradem mais aos clientes e que apresentem menos
problemas na aplicação (NASCIMENTO, 2002).
• 2.2.2.2 Etapas do QFD
O modelo utilizado neste trabalho é o modelo conceitual proposto por Ribeiro et al.
(2000), baseado no modelo de Akao (1990). Na Figura 6, tem-se o modelo, que é composto
por quatro matrizes: (i) matriz da qualidade, onde se faz o desdobramento da qualidade
demandada e das características da qualidade, (ii) matriz do produto, que é constituída do
desdobramento do produto em suas partes, (iii) matriz dos processos, que é construída a partir
do desdobramento dos processos em etapas e (iv) a matriz dos recursos, que é obtida a partir
do desdobramento dos itens de pessoal de infra-estrutura necessários.
45
Ainda segundo Ribeiro et al. (2000), algumas aplicações específicas podem não
necessitar das quatro matrizes descritas. Existem outros casos, entretanto, em que são
necessárias matrizes adicionais como a de recursos humanos, nos casos de processos que
exigem grandes habilidades manuais. Como neste trabalho não serão apresentadas as matrizes
de processo e de recursos do produto, estas também não serão apresentadas neste capítulo.
Carnevalli et al. (2002) realizaram uma pesquisa em empresas brasileiras e
concluíram que 25% das empresas pesquisadas realizam apenas a Matriz da Qualidade e que
70% das empresas utilizam pelo menos mais uma das matrizes na sua aplicação. Segundo
Cheng (1995 apud CARNEVALLI et al., 2002), não é possível garantir que a empresa
conseguirá atingir os valores de qualidade realizando somente a primeira matriz.
Figura 6: Modelo Conceitual de QFD
Fonte: Ribeiro et al. (2000)
46
• Matriz da Qualidade
Para Akao (1990), a matriz da qualidade pode ser definida como a matriz composta
do desdobramento da qualidade demandada e do desdobramento das características da
qualidade (C.Q.). A matriz da qualidade, com suas principais entradas e resultados é
apresentada na Figura 7.
Desdobramento das
Características da Qualidade IDi Ei Mi IDi*
Desdobramento
da Q
ualidade
Demandada Relacionamento da Qualidade
Demandada com as
Características da Qualidade DQij
Importância
Avaliação
Estratégica
Avaliação
Competitiva
Priorização
Especificações Atuais
Importância Técnica IQj
Avaliação da Dificuldade Dj
Avaliação da Competitividade Bj
Priorização das C.Q. IQj*
Figura 7: Exemplo de Matriz da Qualidade
Fonte: Ribeiro et al. (2000)
Para AKAO (1990), o desdobramento da qualidade demandada é a identificação das
necessidades dos clientes. São as qualidades que o cliente deseja no produto. Para conhecer
estas qualidades, Ribeiro et al. (2000) sugerem que o desdobramento da qualidade demandada
deva ser iniciado pelas seguintes etapas:
- identificação dos clientes;
- ouvir a voz do cliente (pesquisa de mercado);
- desdobramento da qualidade demandada pelo cliente;
- importância dos itens da qualidade demandada.
Para Akao (1990), primeiro deve-se pesquisar as demandas expressas e as demandas
latentes do mercado que se deseja atingir. Para Ribeiro et al. (2000), a identificação do cliente
é importante para definir o público que se deseja alcançar com o produto que está sendo
47
projetado. Em alguns casos, é necessário dividir o mercado em classes para avaliar as
diferenças das demandas por classe.
Para Cheng et al. apud Marconcin (2004), uma pesquisa de mercado focada no
levantamento da qualidade demandada deve responder às seguintes perguntas:
- Qual é o público-alvo?
- Qual técnica será utilizada para obtenção das informações?
- Qual será o tamanho da amostra?
- Como as pessoas são selecionadas?
Para Ribeiro et al. (2000), as etapas que constituem a pesquisa de mercado são: (i)
identificação do problema e objetivos da pesquisa, (ii) planejamento da pesquisa, (iii)
questionário aberto e árvore da qualidade demandada e (iv) questionário fechado e priorização
da qualidade demandada.
- Identificação do Problema e Objetivos da Pesquisa: esta etapa deve ser realizada
por toda a equipe do QFD, com consulta a livros e conversas com especialistas. A
identificação do problema envolve definições do que será desenvolvido e qual a sua
abrangência. Para Roesch (1996), um problema pode ser definido tanto a partir de uma
observação, como da teoria, ou ainda de um método que se queira testar. Ainda segundo a
autora, no contexto de uma prática profissional, um problema é uma situação não-resolvida,
mas também pode ser a identificação de oportunidades até então não-percebidas pela
organização.
- Planejamento da Pesquisa: consiste na etapa em que passos importantes da
realização da pesquisa são planejados. Um deles é a obtenção de dados. Conforme Ribeiro et
al. (2000), há dois tipos de fontes de busca de informação: (i) fontes secundárias, onde as
informações precisam ser buscadas em banco de dados e catálogos, por exemplo, e (ii) fontes
48
primárias, onde os dados nunca foram coletados e é necessário um acesso direto aos clientes.
Gil (1995) define a interrogação direta das pessoas como levantamento, por meio do qual
basicamente deseja-se conhecer o comportamento do grupo pesquisado.
Outro ponto importante é que quando se seleciona uma parte da população, espera-se
que esta parte seja representativa da população. A amostragem se fundamenta em leis
estatísticas e pode ser classificada em dois grandes grupos: (i) amostragem probabilística, que
possui bases científicas e (ii) amostragem não-probabilística, cujos critérios dependem
somente do pesquisador, não apresentando base científica. Para Ribeiro et al. (2000), a
amostragem depende das características da população, do tipo de informação pesquisada e do
custo envolvido. A população deve ser estratificada, identificando as características
importantes para a pesquisa.
- Questionário Aberto e Árvore da Qualidade Demandada: para Gil (1995), os
questionários abertos são aqueles que os interrogados respondem com as próprias palavras,
sem restrições. Para Ribeiro et al. (2000), o questionário aberto é constituído de questões
amplas, mas que deverão atender aos objetivos principais e secundários. O questionário aberto
é aplicado com o objetivo de levantar possíveis alternativas para o questionário fechado, com
o objetivo de conhecer as necessidades dos clientes (demandas da qualidade). Uma vez
obtidas as necessidades dos clientes, estas demandas são, então, organizadas numa matriz
usando uma estrutura de árvore que reflete o desdobramento da qualidade demandada
(AKAO, 1990 / RIBEIRO et al., 2000).
- Questionário Fechado e Priorização da Qualidade Demandada: para Gil
(1995), questionários fechados são aqueles as respostas possíveis são apresentadas ao
respondente. Para Ribeiro et al. (2000), o questionário fechado é aquele em que os pesos (IDi)
podem ser atribuídos para os itens da qualidade demandada. Os conceitos atribuídos pelos
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clientes no questionário fechado devem ser previamente definidos. Um exemplo de conceitos
que podem ser utilizados está na Tabela 5.
Tabela 5 – Exemplo de conceitos de importância
Importância Descrição0 Sem Importância
0,5 Importância pequena
1,0 Importância moderada
1,5 Importância grande
2,0 Importância muito grande
Fonte: Ribeiro et al. (2000)
Para Akao (1990), além dos conceitos definidos pelos clientes para as qualidades
demandadas deve ser avaliada também a relação de cada qualidade demandada em relação à
concorrência (benchmarking) e em relação aos objetivos da própria empresa.
Segundo Ribeiro et al. (2000), os pesos obtidos para os itens da qualidade
demandada (IDi) podem ser corrigidos realizando-se a Avaliação Competitiva (Mi), onde
cada item da qualidade demandada é comparado em relação à concorrência, e a Avaliação
Estratégica (Ei), onde os itens da qualidade demandada são analisados em relação a sua
relevância para os negócios da empresa. A priorização dos itens da qualidade demandada
(IDi*) é calculada levando-se em conta estes três fatores, conforme equação (2) (RIBEIRO et
al., 2000).
IDi* = IDi . √Ei . √Mi (2)
onde: IDi são os índices da qualidade demandada, Ei é o índice da avaliação estratégica e Mi
é o índice da avaliação competitiva.
Desdobramento das Características da Qualidade: para Akao (1990), o
desdobramento das características da qualidade é uma ordenação sistemática das
características da qualidade que configuram o produto, baseada na lógica de um diagrama de
50
árvore. Para Ribeiro et al. (2000), essas características serão utilizadas para traduzir as
demandas da qualidade em requisitos técnicos, mensuráveis e objetivos.
O levantamento da intensidade do relacionamento (DQij) entre os itens da qualidade
demandada e as características da qualidade é realizado respondendo à questão: se a
característica da qualidade X for mantida em níveis excelentes estará assegurada a satisfação
da qualidade demandada? Se a resposta for sim, a relação é forte (peso 9), se a resposta for
parcialmente, a relação é média (peso 3), se a resposta for fracamente, a relação é fraca (peso
1) e se a resposta for não, então, a relação não existe (peso 0) (RIBEIRO et al., 2000). Para
Akao (1990), a parte mais problemática da matriz da qualidade é relacionar a qualidade
demandada com as características da qualidade.
Especificações Atuais: são as especificações atualmente empregadas na empresa para
a característica da qualidade correspondente (RIBEIRO et al., 2000).
Importância Técnica (IQj): é a relação que cada característica da qualidade mantém
com os itens da qualidade demandada e a importância relativa destes últimos. Seu valor é
calculado conforme equação (3) (RIBEIRO et al., 2000).
IQj = ΣΣΣΣ IDi* . DQij (3)
onde: IDi* é o índice da priorização dos itens da qualidade demandada e DQij é o índice da
intensidade do relacionamento entre os itens da qualidade demandada e as características da
qualidade.
Avaliação da Dificuldade (Dj): é a avaliação da dificuldade de modificar as
características da qualidade. Para a avaliação, pode ser usada a escala (i) 0,5 (muito difícil),
(ii) 1,0 (difícil), (iii) 1,5 (moderado) e (iv) 2,0 (fácil) (RIBEIRO et al., 2000).
Avaliação da Competitividade (Bj): é a avaliação das características da qualidade em
relação às características da qualidade da concorrência. Como método de avaliação, pode ser
51
usada a seguinte escala: (i) 0,5 para acima da concorrência, (ii) 1,0 para similar à
concorrência, (iii) 1,5 para abaixo da concorrência e (iv) 2,0 para muito abaixo da
concorrência (RIBEIRO et al., 2000).
Priorização das Características da Qualidade (IQj*): é o índice de importância técnica
corrigido pelos índices de avaliação da dificuldade e de avaliação da competitividade. É
calculado pela equação (4) (RIBEIRO et al., 2000).
IQj* = IQj . √Dj . √Bj (4)
onde: IQj é o índice da importância técnica, Dj é o índice da dificuldade e Bj é o índice da
avaliação da competitividade.
Forner (2003) realizou um estudo do emprego do QFD para o desenvolvimento de
veículos para o transporte público de passageiros. Na sua matriz da qualidade, a importância
dos itens da qualidade demandada (IDi) foi definida pela freqüência das colocações relatadas
pelos clientes. Já a avaliação estratégica dos itens da qualidade demandada (Ei) levou em
consideração as tendências do mercado internacional, analisadas pelos profissionais de
engenharia e de design da empresa. A avaliação competitiva (Mi) foi baseada nos
conhecimentos técnicos e comerciais das equipes de trabalho, através do conhecimento dos
produtos da concorrência.
Marconcin (2004) utilizou o QFD para melhorar o desenvolvimento de produtos na
empresa. Sua matriz da qualidade foi abastecida com os dados da área comercial da empresa.
A qualidade demandada resultante destes dados foi comparada com as características da
qualidade relacionadas. Assim, foi possível identificar a intensidade do relacionamento entre a
qualidade demandada e as características da qualidade.
52
• Matriz do Produto
Na fase de projeto detalhado, é importante esclarecer as relações entre a qualidade
demandada do produto final e as características de qualidade necessárias para cada peça do
produto (AKAO, 1990).
Para Ribeiro et al. (2000), a matriz do produto desdobra o produto nas partes que o
compõe. Isto irá ajudar a identificar as partes críticas para a qualidade do produto. Na Figura
8 está o conceito da Matriz do Produto.
Desdobramento das
Características da Qualidade IPi Fi Ti IPi*
Desdobramento
do Produto
Relacionamento das
Características da Qualidade com
as partes constituintes do produto
PQij
Importância
Dificuldade de
Implantação
Tempo de
Implantação
Priorização
Figura 8: Conceito de Matriz do Produto
Fonte: Ribeiro et al. (2000)
Relacionamento das Características de Qualidade com as Partes do Produto (PQij): o
estabelecimento das relações é obtido através da resposta da seguinte pergunta: se a parte X
for excelente, estará assegurado o atendimento da especificação Y para a característica da
qualidade? Se a resposta for sim, a relação é forte (peso 9), se a resposta for parcialmente, a
relação é média (peso 3) e se a resposta for não, a relação é fraca (peso 1) (RIBEIRO et al.,
2000).
Importância das Partes (IPi): similar importância da qualidade demandada é a
definição da importância de cada parte para a obtenção da característica da qualidade. É
calculada conforme equação (5) (RIBEIRO et al., 2000).
IPi = ΣΣΣΣPQij . IQj* (5)
53
onde: PQij é o índice de relacionamento das características de qualidade com as partes do
Produto e IQj* é o índice de priorização das características da qualidade, corrigido.
Dificuldade de Implementação (Fi) e Tempo de Implementação (Ti): como os
próprios nomes já dizem, são os níveis de dificuldade de implementação e o tempo necessário
para implementação de melhorias na parte específica (RIBEIRO et al., 2000).
Priorização das Partes (IPi*): para Ribeiro et al. (2000), a priorização das partes é a
importância de cada parte levando em conta aspectos práticos de sua implementação como
tempo e dificuldade de implementação para a empresa. A priorização pode ser calculada
conforme equação (6).
IPi* = IPi . √Fi . √Ti (6)
onde: IPi é o índice de importância da parte, Fi é o índice da dificuldade de implementação e
Ti é o índice do tempo necessário para a implementação.
No estudo de caso de Forner (2003), a área de engenharia da empresa construiu uma
matriz do produto com o desdobramento do produto em seus componentes. O processo levou
em consideração a funcionalidade de cada componente no produto final e sua conseqüência
sobre cada característica da qualidade.
No exemplo de Marconcin (2004), foi considerado o fator de priorização das
características da qualidade corrigido (IQj*), bem como os pesos utilizados para demonstrar o
relacionamento entre as partes no cálculo da importância das partes (IPi). Com esta avaliação,
pôde-se identificar as características da qualidade que deveriam ser priorizadas para garantir a
qualidade demandada pelo cliente.
54
2.3 Estabilidade Térmica
Para várias aplicações industriais de capacitores de filme tem existido uma
necessidade de melhorar a densidade de energia que inevitavelmente conduz a designs
menores. Nas últimas três décadas, esta necessidade tem levado a grandes investigações em
inúmeros fatores de envelhecimento de capacitores como as propriedades elétricas, térmicas e
químicas do filme dielétrico (KONG; LEE, 2004). Para estes autores, tais estudos não são
suficientemente genéricos, tendo sido desenvolvidos através de muitas análises empíricas.
Como resultado do processo de uso de métodos empíricos, os novos desenvolvimentos em
pequenas mudanças tornaram-se caros e demorados.
O envelhecimento térmico é um dos principais mecanismos de falha em capacitores
de filme. Sabe-se que altas temperaturas podem reduzir consideravelmente a expectativa de
vida de capacitores de filme metalizado. Em temperaturas entre 40°C e 65°C, experiências
mostram que, com a redução em 8°C da temperatura ambiente, a expectativa de vida dos
componentes aumenta por um fator de dois. Isto aumenta a necessidade de conhecer a geração
de calor e sua distribuição dentro do componente (KONG; LEE, 2004).
Capacitores de polipropileno são utilizados na indústria devido ao seu baixo custo de
produção e grande confiabilidade. Eles são compostos de duas folhas (também chamadas de
filmes, ou dielétricos) de polipropileno com um dos lados metalizados com de zinco ou
alumínio bobinados. Em cada uma das faces da bobina existe uma camada de spray de zinco,
também chamada de testeira, conforme Figura 9 (EL-HUSSEINI et al., 2002).
55
Figura 9: Capacitor bobinado e suas partes
Fonte: EPCOS (2006)
Para Rabuffi e Picci (2002), o polímero mais importante para capacitores comerciais
é o polipropileno biaxialmente orientado. Outros materiais, como poliéster, ou papel, também
são usados, mas capacitores de polipropileno têm a grande vantagem de serem mais baratos e
possuírem uma baixa resistência série equivalente (ESR, sigla originada da expressão em
inglês Equivalent Series Resistance).
O aquecimento em capacitores ocorre em todos os tipos de capacitores de filme
metalizado devido à passagem da corrente. O calor é causado pelas resistências internas
intrínsecas do componente e outros tipos de perdas do capacitor. Geralmente, este calor é
indesejado e limita a vida dos capacitores (EL-HUSSEINI et al., 2002).
Para Ennis et al. (2002), sempre haverá perdas de energia e geração de calor em
capacitores. O hot spot, ou lugar de maior temperatura, é o resultado desta geração de calor e
da limitada condução de calor do núcleo da peça para seu exterior. Quando desenvolvem um
novo produto, os engenheiros devem levar em consideração as limitações dos dielétricos
orgânicos e a aceleração do envelhecimento dos dielétricos devido ao aumento da
temperatura.
56
Dielétricos são normalmente ótimos isolantes elétricos, mas também ótimos isolantes
térmicos. Por exemplo, a condutividade térmica do polipropileno é 0,17W/m/°K enquanto que
a do alumínio é 222W/m/°K (ENNIS et al., 2002). Para Schmitz (1999), o envelhecimento em
polímeros é um processo irreversível de mutação molecular acelerado pelo campo elétrico,
stress químico e elétrico.
Conforme Vetter (1997), o tempo de vida de capacitores com filmes orgânicos está
baseado na teoria de degradação cumulativa causada por temperatura, stress e pressão. O
autor equaciona a degradação térmica com a velocidade das reações químicas pela equação de
Arrhenius. O tempo de vida de capacitores é intensamente proporcional à velocidade da
reação. Isto pode ser observado pela equação (7), de Arrhenius.
Lt = A1 . eB/T (7)
onde: Lt é a expectativa do tempo de vida do componente em horas, A1 e B são constantes e T
é a temperatura em °K.
Para El-Husseini et al. (2002), devido à grande diferença dimensional dos materiais
utilizados é difícil determinar e controlar as variáveis físicas dentro e em volta do capacitor. A
potência dissipada ativa (P) e a potência reativa (Q) fornecidas pelo volume V da bobina
podem ser obtidas pelas equações (8) e (9), respectivamente (EL-HUSSEINI et al., 2002).
P = ∫ ∫V∫ Pv (r, z, w)dv (8)
Q = ∫ ∫V∫ QV (r, z, w)dv (9)
onde: Pv e Qv são, respectivamente, a potência volumétrica ativa e reativa que dependem do
raio (r) da bobina, da sua altura (z) e da freqüência (w).
A potência ativa consumida no dielétrico (D) pode ser deduzida da potência reativa,
conforme equação (10) (EL-HUSSEINI et al., 2002).
57
D = Q tgδ (10)
onde: Q é a potência reativa e tgδ é a tangente de delta, que representa o coeficiente de perdas
do capacitor.
Então, a potência total dissipada pode ser dada pela equação (11)
Ptot = P + Q tgδ (11)
onde: δ é o ângulo de perda dielétrica.
Para Seguin et al. (1998), a geração de calor e o aumento da temperatura em
capacitores de potência são conseqüências das perdas elétricas que são normalmente
representadas pela resistência série equivalente ESR (Equivalent Series Resistance) definida
da potência ativa (P) dissipada pelo capacitor para uma corrente RMS, conforme equação
(12).
P = ESR . I2RMS (12)
onde: IRMS é a corrente e ESR também pode ser definido como o somatório das resistências
ôhmicas equivalentes (RΩ) e das resistências dielétricas (RD), conforme equação (13)
(SEGUIN et al., 1998).
ESR = RΩΩΩΩ + RD (13)
Considerando que as perdas, em watts, de qualquer resistência elétrica podem ser
calculadas pela equação (14), pode-se concluir que as perdas ôhmicas podem ser calculadas
conforme a equação (15) e as perdas dielétricas podem ser calculadas conforme a equação
(16).
P = R . I2RMS (14)
onde: P é a potência dissipada, R é a resistência e IRMS é a corrente
PΩΩΩΩ = RΩΩΩΩ . I2RMS (15)
58
PD = RD . I2RMS (16)
onde: PΩ e PD são, respectivamente, a potência ôhmica e a dielétrica dissipadas, RΩ e RD são
as resistências equivalentes que geram estas perdas e IRMS é a corrente.
Desta maneira a equação (12) pode ser reescrita conforme a equação (17).
P = PΩΩΩΩ + PD (17)
Para baixas freqüências, o valor de RΩ é apenas uma pequena parcela do valor de
ESR (SEGUIN et al., 1998). O valor de RΩ é essencialmente devido a três diferentes origens.
As perdas ôhmicas são originadas da soma das perdas nos eletrodos (Pe) que é a superfície
metalizada do filme metalizado, na camada metalizada da schoopagem (Ps) e nos cabos de
conexão internos (Pc), conforme equação (18).
PΩ = Pe + Ps + Pc (18)
As perdas nos eletrodos dependem da quantidade de material condutor depositado
sobre o filme, que pode ser avaliada por sua resistividade. Quanto menos material condutor,
maior será a resistividade da superfície, gerando maiores perdas que, por fim, geram mais
calor. Como a quantidade de material sobre o filme plástico pode não ser constante, pois ela
depende do perfil de metalização utilizado, é possível dividir a largura do filme em dez faixas
representativas desta resistividade. Para cada faixa, é atribuído um valor da resistividade
média na faixa, conforme exemplificado na Figura 10. Na Figura 10 são demonstrados os três
perfis de metalização mais aplicados atualmente. De cima para baixo, o perfil flat, o perfil
rampa e o perfil degrau. Em todos os desenhos destes exemplos, observa-se que a camada
metalizada é mais espessa à esquerda. Esta espessura indica a quantidade de material condutor
que está depositado sobre o filme. Quanto mais material condutor houver, maior será a
condutividade naquela região e, conseqüentemente, menor será a resistividade (ou
simplesmente resistência) na mesma região.
59
Figura 10: Divisão da resistividade dos filmes
Fonte: Elaborado pelo autor (2007)
Em um exemplo comercial existente de filme rampa, a especificação da resistividade
é de 4 ohms por quadrado na lateral, que apresenta maior espessura de material condutor e de
24 ohms por quadrado na lateral oposta (à direita no exemplo da Figura 10). Os valores
representativos da resistividade deste exemplo, em ohms por quadrado, são: 23 | 21 | 19 |
17 | 15 | 13 | 11 | 9 | 7 | 5.
A corrente que passa pelo filme também não é constante ao longo de sua largura. A
corrente é máxima na primeira das faixas (aquela com mais metal condutor depositado) e vai
reduzindo até chegar a zero na extremidade oposta da camada metalizada. Conhecendo a
resistividade de cada faixa do filme e considerando que a corrente reduz a uma taxa constante
ao longo da largura do filme, pode-se calcular a potência dissipada em cada uma das dez
faixas. As perdas totais nos eletrodos (Pe) são o equivalente à soma das perdas de todas as
faixas, conforme as equações (19) e (20).
PFaixa = resistividade média da faixa * corrente na faixa (19)
Pe = Σ( PFaixa 1 + PFaixa 2 + ... + PFaixa 10 ) (20)
60
Para o cálculo da perda na camada metalizada da schoopagem (Ps), deve-se conhecer
a corrente que passará pela camada da schoopagem. Para o caso de duas bobinas em paralelo,
esta corrente é a metade da corrente total, isto é, a corrente se divide pelos dois capacitores
que estão construídos em paralelo. Também é necessário conhecer a resistência da camada de
zinco (em ohms). Com a corrente e a resistência, calcula-se a perda Ps, baseada na equação
(14).
A última das perdas ôhmicas, a perda nos cabos de conexão internos (Pc), pode ser
calculada de forma similar às perdas da schoopagem. Conhecendo a corrente que flui por cada
um dos fios, seu comprimento e a resistividade do cobre (em ohms*mm2/mm), pode se
calcular a potência dissipada pelos fios de cobre (Pc).
Já RD pode ser definido pela equação (21).
RD = tgδ / (C.w) (21)
onde: RD representa as perdas dielétricas, tgδ representa o coeficiente de perdas, C é o valor
da capacitância e w é o valor do período, que é inversamente proporcional à freqüência de
aplicação.
Como tgδ é praticamente constante, o valor de RD fica proporcional ao valor do
inverso da freqüência para uma mesma capacitância (SEGUIN et al., 1998).
Na Figura 11 pode ser visto o valor de ESR para um determinado capacitor e as
parcelas de RΩ e RD em freqüência.
61
Figura 11: Comportamento de ESR e suas parcelas RΩΩΩΩ e RD
Fonte: Seguin et al. (1998)
A dependência de tensão do valor de ESR em uma dada temperatura e tensão, para
três freqüências, pode ser vista na Figura 12. O valor de ESR é constante até um determinado
valor de tensão (400V, neste exemplo) e aumenta após este valor devido às descargas parciais
que ocorrem na borda de contato do filme metalizado. Esta faixa estável do valor de ESR é
uma importante propriedade do capacitor para a avaliação das perdas resultantes e para
avaliação da dependência do valor de ESR em relação à freqüência (SEGUIN et al., 1998).
A dependência do valor de ESR em relação à freqüência em diferentes temperaturas
pode ser vista na Figura 13 (SEGUIN et al., 1998).
Freqüência (kHz)
@
62
Figura 12: ESR x tensão
Fonte: Seguin et al. (1998)
Figura 13: ESR x freqüência
Fonte: Seguin et al. (1998)
O modelo e as experiências mostram que para a mesma corrente, quanto mais longo
o capacitor, maior será a potência dissipada. Isto é devido ao fato de que, para uma dada
freqüência, o ESR de um capacitor curto é menor que de um capacitor longo com a mesma
capacitância. Dado que o ESR indica o auto-aquecimento dos capacitores, parece lógico
Freqüência (kHz)
Tensão Eficaz (V)
63
esperar que capacitores menores auto-aqueçam menos que capacitores longos (EL-HUSSEINI
et al., 2002).
A dissipação de calor de dentro das bobinas depende das camadas de polipropileno,
da metalização e da geometria das bobinas. O calor pode ser irradiado por condução,
convecção e por radiação (EL-HUSSEINI et al., 2002).
• Condução:
Para El-Husseini et al. (2002), a condutividade térmica dentro de uma bobina ocorre
mais facilmente na direção das testeiras pela camada metalizada do filme e não através das
camadas de dielétrico, que atua mais como isolante.
• Convecção:
Segundo El-Husseini et al. (2002), a convecção é normalmente a maneira mais
utilizada para a transferência de calor do capacitor para o ambiente. A convecção é função da
superfície, da velocidade do ar e da temperatura externa. O coeficiente hc descreve o grau de
transferência térmica de uma área (A), sendo função da velocidade do fluido e das
propriedades de transferência de massa como densidade e viscosidade. A potência dissipada
por convecção pode ser calculada conforme equação (22):
PCONV = hc A ∆∆∆∆T (22)
onde: ∆T é a diferença de temperatura entre o ambiente e a superfície.
• Radiação:
Radiação, como convecção, é também uma função da superfície e do ambiente. A
radiação é dependente não somente da diferença de temperatura da superfície e do ambiente,
mas também das temperaturas envolvidas. A potência radiada de uma superfície (A) à
64
temperatura Ts, num ambiente à temperatura T∞ é dada pela equação (23) (EL-HUSSEINI et
al., 2002).
PRAD = σσσσ εεεε A (Ts4 - T∞∞∞∞
4) (23)
onde: ε é a emissividade da superfície e σ = 5.67x10-8.
Conforme El-Husseini et al. (2002), a transferência de calor por radiação pode ser
considerada mais significativa que a transferência de calor por convecção sozinha.
A Figura 14 demonstra a radiação de temperatura em bobinas com diferentes
larguras ou tamanhos de filme metalizado. Também é possível comprovar aqui que para
bobinas maiores, a temperatura da bobina é maior devido ao valor de ESR.
Para Ennis et al. (2002), em aplicações de alta freqüência ou de pulsos repetitivos
onde uma corrente RMS significativa passa pelo capacitor, o desenho do produto deve
considerar a existência do hot spot dentro do capacitor devido a suas perdas internas de
energia. Estas perdas consistem em perdas ôhmicas nas partes metálicas condutivas e em
perdas dielétricas que dependem da freqüência de aplicação.
As perdas dielétricas são função dos materiais usados e sua montagem. Elas estarão
definidas uma vez que a estrutura dielétrica estiver selecionada. Tais perdas podem ser bem
pequenas em materiais não-polarizados como polipropileno. Além disto, perdas ôhmicas
podem ser reduzidas através de filmes mais estreitos ou condutores mais curtos. (EMMIS et
al., 2002).
Para Nucci et al. (1991), um aumento de temperatura de aproximadamente 30°C
pode causar um encolhimento do filme de polipropileno. O encolhimento se torna evidente
em temperaturas acima de 100°C.
65
Figura 14: ESR x freqüência
Fonte: El-Husseini et al. (2002)
O aquecimento nas bordas de contato pode ser causado também por pulsos de
corrente originados de uma rápida variação de tensão que é típica na aplicação de capacitores
de potência. Estes pulsos têm uma duração curta em comparação às constantes térmicas no
tempo e, portanto, o aumento de temperatura produzido deve ser levado em consideração. O
efeito desta dissipação pode ainda estar presente quando um pulso subseqüente é aplicado,
dependendo do intervalo de tempo entre os pulsos (NUCCI et al., 1991).
°C
°C
°C
°C
66
Segundo Nucci et al. (1991), as perdas na região de contato não dependem da
capacitância e, sim, da construção tecnológica adotada, da largura do filme e da tensão
aplicada.
Para Vetter (1997), o hot spot de capacitores encontra-se numa região a dois terços
da altura do capacitor, próxima do seu núcleo, mas não exatamente sobre ele, já que a
temperatura é gerada pelo filme metalizado. Ainda segundo Vetter (1986), a resistência
térmica de um capacitor é definida pelo cociente da diferença de temperatura entre o meio
ambiente e o hot spot pela potência total dissipada, conforme equação (24).
Rth = ∆T / (PD + PΩ) (24)
onde: Rth é a resistência térmica, ∆T é a diferença de temperatura entre o meio ambiente e o
hot spot, PD é a potência dissipada pelo dielétrico e PΩ é a potência ôhmica dissipada.
67
3 ABORDAGEM PARA MELHORIA DE
CAPACITORES DE POTÊNCIA
Neste capítulo, será exposto o cenário do estudo, com a apresentação da empresa, do
produto estudado e da sua aplicação. Será apresentada a situação atual de desenvolvimento de
produtos, com a identificação das oportunidades de melhoria. Por fim, será discutir-se-á uma
proposta de abordagem para novos desenvolvimentos, envolvendo os métodos QFD e FMEA.
3.1 Cenário do Estudo
Para iniciar a exibição do cenário de onde se realizará o estudo, será apresentada a
empresa. No item seguinte, o produto-alvo deste estudo será exposto, com as principais etapas
de produção, a descrição de suas partes e as funções de cada uma delas. Isto auxiliará na
compreensão dos termos técnicos utilizados durante o trabalho. Os capacitores de potência a
serem estudados são projetados para aplicação em sistemas de UPS (Uninterruptible Power
Supply) e, para encerrar a apresentação do cenário, haverá uma descrição da aplicação e suas
principais exigências.
3.1.1 Apresentação da Empresa
A EPCOS (Electronic Parts and Components) é uma multinacional com sede em
Munique, na Alemanha, com plantas nos cinco continentes, sendo que no ano fiscal
2005/2006 obteve um faturamento global de €1,3 bi. A EPCOS nasceu da união das empresas
da divisão de componentes eletrônicos da SIEMENS que, em 1999, foi aberta para o mercado
de ações. Inicialmente a empresa se chamava Siemens & Matsushita, mas depois tornou-se
EPCOS. A Siemens e a Matsushita do Japão ainda são suas acionistas majoritárias.
68
A EPCOS produz componentes eletrônicos passivos para a maioria das aplicações da
indústria eletrônica. Seus principais produtos são (i) capacitores de filme, (ii) capacitores
eletrolíticos, (iii) indutores, (iv) componentes cerâmicos e (v) filtro de onda de superfície.
Atualmente a EPCOS é a empresa líder no mercado de componentes eletrônicos da Europa e a
segunda no mercado mundial, sendo a única empresa européia entre as dez maiores do
mundo. A Figura 15 apresenta a distribuição da companhia no mundo.
Figura 15: Distribuição da EPCOS pelo mundo
Fonte: EPCOS (2006)
A EPCOS do Brasil, com sede em Gravataí/RS é a única planta fabril da EPCOS na
América Latina e produz capacitores de filme plástico e eletrolítico. Fundada em 1954, em
Porto Alegre, com o nome de Icotron (Indústria de Componentes Eletrônicos), foi comprada
em 1958 pela SIEMENS. Em 1999, juntamente com as outras empresas da divisão de
componentes eletrônicos da SIEMENS, a Icotron se transformou em EPCOS do Brasil. A
Figura 16 apresenta uma foto aérea da empresa.
69
Figura 16: EPCOS do Brasil
Fonte: EPCOS (2006)
A EPCOS do Brasil possui atualmente aproximadamente 1.500 colaboradores diretos
e no ano fiscal de 2005/2006 obteve um faturamento de € 115 milhões. Destes, 40% foram
para o mercado interno e 60% para o mercado externo. Os clientes em geral são empresas
fabricantes de bens duráveis tais como automóveis, televisores, máquinas de lavar roupa,
geladeiras e artigos eletrônicos em geral. Seus produtos são, em sua maioria, commodities e
geralmente são fabricados em grandes volumes, por pedido.
As atividades da EPCOS do Brasil são divididas em quatro miniunidades, conforme
a aplicação e o modo construtivo do componente:
− capacitores eletrolíticos: à base de eletrólito para aplicação em baixas tensões DC;
− capacitores de filme para aplicação AC: para aplicações na linha branca e de potência;
− capacitores de filme com tecnologia Stacked: para aplicações de baixas tensões DC;
− capacitores de filme com tecnologia Wound: para aplicações de baixas tensões AC.
O estudo de caso a ser apresentado é da unidade de capacitores de filme para
aplicação AC, na área de capacitores de potência.
70
3.1.2 Apresentação do Produto e do Processo Produtivo
Neste trabalho, está sendo estudada somente uma família de capacitores para
aplicação em UPS. Os capacitores desta aplicação são comercialmente chamados de
Capacitores de Eletrônica de Potência ou, em inglês, Power Electronic Capacitors (PEC).
As duas principais normas internacionais que regem estes capacitores e que indicam
quais testes que devem ser realizados são a (i) IEC61071-1/2 da Europa e a (ii) UL810 dos
Estados Unidos. Estas homologações são freqüentemente solicitadas pelos clientes. Quando
se iniciou o desenvolvimento de capacitores, antes da existência de uma série de produtos
específica para UPS, foram utilizados capacitores similares existentes na época, mas que
tinham sido desenvolvidos para aplicações distintas. Muitos testes solicitados pelas normas
para UPS já tinham sido realizados com sucesso nos componentes existentes. Baseado nos
resultados destes testes foi realizada uma aprovação inicial por similaridade para alguns
capacitores. Tais testes foram repetidos posteriormente, quando o desenvolvimento do
componente já estava mais solidificado. Os capacitores PEC desenvolvidos são uma variante
de capacitores que já existiam para outras aplicações
Os principais parâmetros de um capacitor são sua capacitância e sua tensão de
aplicação. Esta é dada pela aplicação do cliente e, portanto, é informada por ele. Já a
capacitância pode ser calculada pela equação (25).
C = εεεε . A / d (25)
onde: C é a capacitância, ε é a constante dielétrica do material, A é a área útil metalizada
(largura do filme multiplicado pelo seu comprimento) e d é a espessura do filme metalizado.
Como a espessura depende somente da tensão de aplicação do produto e a constante
dielétrica não muda uma vez que sempre se utiliza polipropileno, quanto maior a capacitância,
maior será a área útil metalizada. Esta é proporcional à largura e ao comprimento do filme.
71
Portanto, quanto maior a capacitância, maior será o comprimento de filme e
conseqüentemente maior será o diâmetro da bobina.
Para apresentar o produto e suas partes, é necessário apresentar as principais partes
do processo produtivo.
• Bobinagem
É a primeira etapa do processo da montagem de capacitores e, como o nome diz,
consiste em bobinar ou enrolar dois filmes plásticos metalizados sobrepostos, conforme
ilustrado nas Figuras 9 e 17. No caso dos capacitores para aplicação em UPS, eles são
bobinados sobre núcleos plásticos. Cada bobina possui um determinado número de voltas,
conforme projetado pelo engenheiro, respeitando as regras de desenho da empresa ou, em
casos especiais, de acordo com a solicitação do cliente.
Figura 17: Bobina de capacitor em corte
Fonte: EPCOS (2006)
Os dois filmes, que também podem ser chamados de folhas, são compostos de um
polipropileno especial para a aplicação de capacitores por ser biaxialmente orientado. Esta é
uma característica que garante que o encolhimento será semelhante no eixo da largura e do
comprimento. Cada filme possui um dos lados metalizado com uma liga de alumínio e zinco,
que serão os condutores do capacitor. A quantidade de alumínio e zinco resulta na
72
resistividade da camada metalizada e é um fator importante na determinação da vida dos
capacitores. Cada filme também possui uma faixa não metalizada, localizada em uma de suas
extremidades, chamada de borda livre. Ela é importante para evitar o curto-circuito entre os
dois filmes que estarão em potenciais elétricos diferentes.
Os principais parâmetros do processo de bobinagem são (i) a tração do filme, (ii) a
tensão da bobinagem e (iii) o escorregamento entre os filmes. O escorregamento é a distância
entre os dois filmes que não são exatamente sobrepostos. Esta distância é importante para o
processo seguinte. A Figura 17 mostra uma bobina em corte, com as várias camadas da folha
1 e da folha 2 e o escorregamento.
Desde o princípio da bobinagem até o final da vida do capacitor, ele deve ser
protegido da umidade do ar. A umidade reage com o zinco da camada metalizada, corroendo e
eliminando este material. Com a eliminação do zinco, o capacitor perde seu principal
parâmetro, que é a capacitância. Sem capacitância, ou com capacitância reduzida, o capacitor
não atende às especificações do cliente.
Para evitar ao máximo o contato do filme com o meio externo, a matéria-prima é
enviada pelos fornecedores em embalagens a vácuo que só são abertas momentos antes de
iniciarem a bobinagem. Durante todo o processo de montagem, as bobinas ficam em estufas
ou ambientes onde a umidade é controlada em níveis mínimos até que o capacitor seja selado.
• Schoopagem
Na schoopagem, as bobinas recebem uma camada de metal sob forma de spray em
suas bordas laterais. Esta camada metálica possibilitará a contactação elétrica dos futuros
capacitores. Aplica-se uma camada de zinco puro, fundido através de arcos elétricos e
borrifado sobre a testeira da bobina através de um cone de ar. O zinco, que originalmente é
um fio maciço, depois de fundido, transforma-se em pequenos grãos. Nesta etapa, é
73
importante um acompanhamento constante dos parâmetros de temperatura e granulometria. A
granulometria garante a qualidade e profundidade de penetração da camada de zinco no
escorregamento do capacitor e a temperatura garante que o grão não chegará nem muito
quente nem muito frio e já solidificado no filme metalizado. Na Figura 18 observa-se a
estrutura em corte do capacitor após a finalização do processo de schoopagem de um dos
lados. O processo se completa com a aplicação da camada de zinco dos dois lados.
Figura 18: Bobina de Capacitor em corte, com schoopagem
Fonte: EPCOS (2006)
Com a bobina schoopada o capacitor já poderia, em tese, ser utilizado. Mas para ser
enviada ao mercado a bobina deve passar pelo processo de têmpera e secagem, além da
montagem final.
• Têmpera e Secagem
A têmpera é responsável pelo tratamento térmico das bobinas, que são colocadas em
estufas (fornos elétricos à resistência) com ajuste de temperatura. Durante o tratamento, as
moléculas do filme dielétrico são cristalizadas, tornando o filme plástico mais rígido.
Conseqüentemente, este filme suportará maiores tensões na aplicação durante sua vida.
A secagem ocorre ao mesmo tempo da têmpera, no mesmo processo, mas tem o
objetivo de retirar todo o ar e, principalmente, sua umidade de dentro da bobina. O processo
74
utiliza a mesma temperatura que também é utilizada para temperar a bobina, além do vácuo
para remover o ar. A umidade do ar é um dos maiores inimigos do filme metalizado, uma vez
que corrói a camada de zinco do filme metalizado. Com a corrosão do zinco, o filme plástico
fica novamente transparente. A falta da camada metalizada resulta numa grande perda de
capacitância.
O processo de têmpera e secagem dura, aproximadamente seis horas e o nível de
vácuo deve atingir, pelo menos, 1mbar. A temperatura da têmpera varia de 85°C a 105°C e
pode gerar problemas de perda de capacitância se não for acompanhada adequadamente.
• Montagem
É o processo final da construção do componente. Nela são unidas todas as partes
finais do componente, das quais, pode-se citar as principais: (i) a bobina schoopada, (ii) os
cabos de conexão interna, (iii) o disco inferior, (iv) o disco intermediário, (v) o disco superior,
(vi) a folha de isolação, (vii) a caneca de alumínio e (viii) a resina.
A montagem inicia com o posicionamento do disco inferior no fundo da caneca e da
folha de isolação na lateral interna da caneca. Os dois materiais têm a função de isolar a
bobina energizada da caneca metálica. Paralelamente, os cabos de conexão interna são
soldados com estanho nas faces schoopadas da bobina, conforme exemplo na Figura 19. Nesta
figura observa-se duas bobinas (com efeito transparente) com os fios rígidos soldados e a
“ferradura” utilizada para fazer a conexão entre elas. Todas estas soldas são realizadas
manualmente, com uma liga de estanho e zinco.
75
Figura 19: Bobinas de capacitor soldadas
Fonte: EPCOS (2006)
A bobina com os cabos é inserida na caneca, que já está com o disco inferior e com a
folha de isolação. Sobre as bobinas, é posicionado o disco intermediário, conforme Figura 20.
Figura 20: Bobinas dentro da caneca, com disco de fundo e disco intermediário
Fonte: EPCOS (2006)
Em seguida realizam-se os dois frisos do dispositivo interruptor. Este dispositivo
funciona como uma proteção em forma de sanfona com um fusível interno. Em
funcionamento normal, o capacitor está com a sanfona fechada. Em caso de ocorrência de
algum curto-circuito na parte interna do componente, há um aumento instantâneo da pressão
76
interna que ocasiona a abertura da sanfona do dispositivo interruptor. A abertura da sanfona
ocasiona o rompimento dos fios que ligam os terminais externos do capacitor às bobinas. A
Figura 21 apresenta, inicialmente, um friso sendo construído (aberto), seguido pelos dois
frisos já fechados vistos externamente e, por fim, os dois frisos numa visão em corte.
Figura 21: Um friso aberto, dois frisos fechados vistos externamente e dois frisos fechados visto em corte
Fonte: EPCOS (2006)
O processo seguinte é o enchimento de resina. Esta tem um papel essencial na
qualidade dos capacitores, pois é responsável (i) pela isolação da bobina da umidade, (ii) pela
transferência do calor da bobina para a caneca e (iii) pela remoção da umidade que porventura
esteja dentro do componente. Por último, posiciona-se o disco superior com os dois terminais
(parafusos M10). O disco é rebordeado na caneca para selar o componente, evitar o
vazamento de resina e a entrada do ar. Os cabos de conexão interna também são soldados nos
terminais. Assim, o capacitor está montado e selado, conforme na Figura 22 (com a caneca
fechada e aberta para mostrar a montagem interna).
77
Figura 22: Capacitor montado, com a caneca em corte e inteira
Fonte: EPCOS (2006)
Todos os capacitores da linha PEC (Power Electronic Capacitors) possuem
dispositivos de segurança para o caso de um curto-circuito interno (dentro de uma bobina) ou
externo (no equipamento onde ele está conectado). Os cabos de conexão interna são
fragilizados e, no caso de alguma ocorrência de curto-circuito ou elevação inesperada da
tensão, a pressão interna do componente aumentará, expandindo a sanfona dos frisos e
rompendo a área fragilizada dos cabos de conexão interna. Assim, o capacitor isola o curto-
circuito, evitando uma explosão que poderia danificar todo o equipamento. Uma vez que o
dispositivo de segurança atua, o capacitor deve ser substituído. A atuação do dispositivo
interruptor é uma operação irreversível.
Existem duas montagens possíveis para os capacitores da linha PEC. A primeira, e
mais simples, é com somente uma bobina. Já a segunda, para capacitores de maior potência e
capacitância, necessita de duas bobinas conectadas internamente em paralelo.
• Testes Elétricos
Todos os capacitores produzidos passam por uma bateria de testes após a montagem.
São testes elétricos que simulam, num curto tempo, a aplicação real do componente, com
78
tensões AC, DC, pulsos, além da medição da capacitância, resistência de isolação e
coeficiente de perdas.
3.1.3 Apresentação da Aplicação
A família de capacitores estudada neste trabalho é para aplicação em UPS.
Equipamentos de UPS são utilizados como reserva de energia para casos de falta de energia
elétrica e podem ser de uso residencial ou comercial, de pequeno ou grande porte. No Brasil
são comumente chamados de no break.
De maneira mais generalizada, o que diferencia um equipamento de UPS de outro
para a mesma aplicação é a potência que ele pode suprir no caso de falta de energia elétrica.
Existem também as diferenças entre os produtos de diferentes empresas como (i) dimensão,
(ii) tecnologia empregada, (iii) facilidade de uso, (iv) interfaces de controle, (v) proteção, (vi)
design, entre outras. Os capacitores avaliados neste estudo são utilizados somente em
equipamentos de grande porte, com potências elevadas (acima de 100KW). Normalmente, são
utilizados em aplicações industriais, telecomunicações, bancos, supermercados e outras
aplicações que possuam banco de dados que devam estar sempre disponíveis.
O equipamento de UPS monitora o sinal da linha de alimentação e atua em caso de
déficit ou falta de tensão de alimentação. A Figura 23 apresenta o exemplo mais simples de
equipamento de UPS. Quando o sinal da linha está dentro do especificado para os
equipamentos que estão conectados no UPS, o equipamento permanece em stand by, somente
carregando suas baterias. Como o sinal da linha é de tensão alternada (AC) e as baterias são
de tensão contínua (DC), é necessário um conversor AC/DC para carregar as baterias.
79
Figura 23: Exemplo de construção interna de equipamento para UPS
Fonte: MGE (2006)
Quando o sinal da linha está abaixo do especificado ou não existe, o equipamento
UPS entra em ação, garantindo, sem interrupções, o fornecimento de energia AC com
variações desprezíveis. Estas variações são desprezíveis principalmente devido ao filtro de
saída controlado eletronicamente. A carga armazenada na bateria sob forma de tensão DC é
transformada em tensão AC através de um conversor DC/AC. Neste conversor, são utilizados
os capacitores estudados neste trabalho. Existem várias tecnologias de conversores DC/AC,
mas a mais utilizada pelas empresas fabricantes de sistemas UPS é a PWM (Pulse Width
Modulation). Nesta tecnologia, o equipamento liga e desliga a fonte DC, gerando pulsos de
larguras ou durações diferentes, conforme pode ser visto na Figura 24. Enquanto há tensão, o
capacitor é carregado. Quando não há tensão, o capacitor inicia sua descarga natural. Os
pulsos são gerados eletronicamente para garantir que este processo de carga e descarga do
capacitor resulte numa forma de onda senoidal, com uma variação menor que 1% do
especificado.
80
Figura 24: Exemplo de construção interna de equipamento para UPS
Fonte: MGE (2006)
Como todo o sistema UPS se baseia em baterias que têm uma carga finita, estes
equipamentos têm capacidades finitas de fornecimento de energia. A quantidade de potência
fornecida e a duração deste fornecimento variam conforme o equipamento e a aplicação.
Normalmente as empresas, fornecedoras indicam o melhor equipamento para a aplicação do
cliente.
3.2 Método Proposto
Nesta seção, será apresentado o modelo proposto para melhorar a qualidade dos
produtos. Serão descritas todas as etapas e subetapas dos métodos utilizados e as técnicas para
obtenção dos dados.
Para Ginn et al. (1998), o uso do FMEA e do QFD em conjunto podem trazer para o
desenvolvimento a voz do cliente e a voz da engenharia juntas para um desenvolvimento
voltado para a qualidade. O método proposto inicia com a formação da equipe para realização
do FMEA. Com o FMEA será possível identificar os pontos do desenvolvimento que deverão
ser melhorados, apontando algumas propostas de melhoria. O QFD utilizará as informações
fornecidas pelo FMEA e, trazendo a voz do cliente para o desenvolvimento, será possível
81
explorar melhor os pontos que devem ser aprimorados. O FMEA e o QFD fornecerão
proposta de melhoria que serão analisadas e conseqüentemente priorizadas. A propostas que,
conforme a equipe, forem definidas como prioridade, serão implementadas. Este método pode
ser visualizado na Figura 25.
Formação da
Equipe
FMEA QFD
Proposta de
melhoria
Priorização
das melhorias
Implementação
das melhorias
Figura 25: Método proposto para melhorar a qualidade dos produtos
Fonte: Autor (2007)
3.2.1 Uso do FMEA
Neste trabalho, realizou-se um FMEA de Produto, ou DFMEA. O produto e sua
aplicação já são conhecidos. Após o estudo do produto e dos requisitos do cliente, a próxima
etapa do FMEA foi a formação da equipe multidisciplinar que construirá o FMEA do produto
estudado.
82
Para a equipe de construção do FMEA, foram convidados os engenheiros de produto,
responsáveis pela área de pesquisa e desenvolvimento de produtos, os técnicos de produto, as
pessoas que trabalham com a qualidade assegurada dos produtos, os engenheiros responsáveis
pelo desenvolvimento das matérias-primas, o engenheiro responsável pelo processo de
produção das peças e um representante do marketing de produto. O modelo a ser preenchido
pela equipe encontra-se no Anexo I.
Foram marcados encontros periódicos, sempre em um mesmo horário da semana, no
mesmo local. Nos primeiros encontros, apresentou-se os objetivos do trabalho a ser realizado
e também foi realizada uma explanação dos conhecimentos adquiridos sobre o mercado e
sobre o produto para que todos possuíssem o mesmo nível de conhecimento. Para aqueles que
não conheciam ou não estavam familiarizados com o FMEA, foi realizada uma explicação
separadamente, com o uso de exemplos práticos já desenvolvidos. A empresa oferece cursos
regulares de FMEA para os novos funcionários, além de cursos rápidos para atualizações.
Com a equipe formada, iniciou-se o processo de elaboração do FMEA. A primeira
etapa foi o preenchimento dos dados do cabeçalho, seguida da definição das funções do
capacitor que está sendo estudado.
O grupo analisou cada função separadamente. A primeira etapa desta análise foi a
definição dos modos de falha de cada função. Com a experiência do grupo, das análises já
realizadas e do mercado, definiu-se todos os modos de falha possíveis para cada função. O
brainstorming foi a ferramenta utilizada para garantir que todas as possibilidades de modos de
falha fossem contempladas.
Com os modos de falha definidos, o grupo analisou os efeitos de cada um em relação
à função. Assim como na definição dos modos de falha, realizou-se um brainstorming para os
modos de falha com o objetivo de se identificar todos os efeitos potenciais.
83
Após a definição dos efeitos, iniciou-se a avaliação da severidade de cada um deles.
A empresa onde se realizou o estudo possui uma tabela de severidade própria, ajustada à
empresa e aceita por todos os clientes. A Tabela 6 apresenta os fatores de severidades da
empresa, adotados neste trabalho.
Tabela 6 – Índices de Severidade
Efeito Critério: Severidade do Efeito SeveridadePerigoso sem aviso
prévio
A falha afeta a segurança do cliente ou operador, sem aviso
prévio
10
Perigoso com aviso
prévio
A falha afeta a segurança do cliente ou operador, com aviso
prévio. Desrespeito à regulamentação governamental
9
Muito Grave A falha impede o funcionamento do produto final 8
Grave A falha causa grande distúrbio na linha de montagem do
cliente. Impede o funcionamento do subsistema. E ou reduz
o desempenho do produto final (sistema)
7
Alto A falha causa distúrbio na linha de montagem do cliente.
Quebra de aparência, ou dimensional, ou elétrica no final do
processo, na EPCOS
6
Moderado A falha pode ser notada por alguns clientes. A falha perturba
etapas intermediárias de processo.
5
Moderado Baixo A falha dificulta as operações iniciais do processo. Sem
necessidade de classificação das peças.
4
Baixo A falha impede a validação do projeto 3
Muito Baixo A falha dificulta o desenvolvimento do projeto 2
Sem efeito Não serão observados efeitos significativos 1
(Fonte: GQ69, 2006)
A classificação adotada para este estudo foi a mesma adotada pela empresa. São
definidos efeitos críticos (marcados com o símbolo ∇) como sendo aqueles cuja severidade
seja nove ou dez. Para os efeitos com severidade de sete ou oito é utilizada a classificação de
característica significativa (marcados com o símbolo τ).
A etapa seguinte foi a avaliação das causas potenciais de falha, cuja conseqüência é o
modo de falha. Para cada um foram listadas as possíveis causas de sua ocorrência. Para cada
causa potencial definiu-se um índice que indica a probabilidade de sua ocorrência. Este índice
também varia de um a dez e, como no caso dos índices de severidade, adotou-se os índices
utilizados pela empresa onde está sendo realizado o estudo. A Tabela 7 apresenta os índices
de ocorrência utilizados.
84
Tabela 7 – Índices de Ocorrência
Probabilidade de Falha PPM Índice de OcorrênciaQuase Certa ≥100.000 10
Muito Alta 50.000 9
20.000 8
10.000 7
5.000 6
2.000 5
1.000 4
500 3
100 2
Remota ≥10 1
Alta
Moderada
Baixa
(Fonte: GQ69, 2006)
O passo seguinte constituiu a elaboração da lista com os controles utilizados para
detectar os modos de falha ou reduzir sua ocorrência. Os controles foram listados conforme
seu tipo, separados em controles de prevenção ou controles de detecção.
Após o conhecimento dos controles existentes, pôde-se fazer a avaliação do índice de
detecção de cada controle. Assim é avaliada a qualidade do controle empregado. Como no
caso dos outros índices de avaliação, foram utilizados os índices de detecção da empresa onde
se realiza o estudo. Estes índices são apresentados na Tabela 8.
Com os índices que avaliam os projetos definidos, calculou-se o Número de
Prioridade de Risco (NPR), que indica quais partes do projeto são mais deficitárias ou mais
suscetíveis a falhas. Para o cálculo do NPR, são multiplicados os índices de severidade,
ocorrência e detecção. Quanto maior o NPR, maior será o risco. Assim sendo, foram definidas
ações para diminuir os maiores índices NPR.
85
Tabela 8 – Índices de Detecção
Detecção Critério: Probabilidade de detecção pelo Controle de Projeto Índice de Detecção
Inserteza
absoluta
O Modo de Falha não é controlado 10
Remota O Modo de Falha é controlado Indiretamente - Processo 9
Muito Baixa O controle é feito através de desenhos e especificações de
clientes
8
Baixa O controle é feito através de desenhos e especificações de
clientes com utilização de software e tabelas para cálculos
7
Moderada Baixa Os controles anteriores incluem testes de caracterização de
amostras
6
Moderada Os controles anteriores incluem ensaios individuais de
amostras
5
Moderada Alta Os controles anteriores incluem estudo preliminar de
capabilidade
4
Alta Os controles anteriores incluem análise crítica e verificação por
similaridade de produto ou homologação completa
3
Muito Alta Os controles anteriores incluem análise crítica e verificação por
similaridade de produto aprovado com PPAP
2
Quase Certa Produto aprovado por PPAP 1
(Fonte: GQ69, 2006)
Na empresa onde se realizou o estudo, também é avaliado um índice que considera
apenas a multiplicação da severidade com a ocorrência. Este índice é descrito pelas letras SxO
e seu limite é quarenta e cinco. Se o índice estiver acima de quarenta e cinco deve-se,
obrigatoriamente, definir ações que reduzam este valor.
A empresa onde se realizou o estudo adota o índice de risco limite de cem para a
obrigatoriedade de ações. Assim sendo, para os itens com NPR maior que cem é obrigatório o
planejamento de ações para reduzir o índice de risco. Também são obrigatórias ações sobre os
efeitos com severidade crítica (nove ou dez). Baseadas nestas regras, ações foram definidas
pelo grupo, com responsáveis e prazo de implementação previamente definidos. O novo
índice de NPR, considerando a implementação das ações, foi estimado para avaliar se as
ações conseguiriam reduzir o índice de risco para valores abaixo de cem.
86
3.2.2 Uso do Método QFD
O segundo método utilizado foi o QFD. Como existe um número reduzido de clientes
no mundo (menos de quarenta), os capacitores são desenvolvidos especialmente para cada
projeto de cada cliente, de forma que não são realizadas pesquisas de mercado para o
desenvolvimento de capacitores de potência. Por isto, as especificações dos capacitores
utilizados em cada equipamento de UPS são fornecidas pelos clientes, bem como a bateria de
testes e as normas internacionais a que o capacitor deve atender. Assim sendo, as demandas
da qualidade dos clientes são conhecidas e fornecidas pelo próprio cliente a cada projeto. Para
a definição dos itens da qualidade demandada, são utilizadas demandas que são comuns à
maioria dos clientes, excluindo solicitações especiais de determinados projetos que não
expressam o desejo da maioria.
Com a definição dos itens da qualidade demandada através das especificações dos
clientes, um questionário foi enviado para os dez principais clientes solicitando uma avaliação
de importância dos itens listados. Os clientes atribuíram conceitos, num valor de escala, que
representavam a importância dos itens, segundo seu ponto de vista. Os conceitos aceitáveis
estavam pré-definidos conforme descrito na Tabela 9. Baseado na média dos conceitos
enviados pelos clientes, obteve-se o índice de importância (IDi) de cada um dos itens da
qualidade demandada.
Tabela 9 – Escala de Importância (IDi)
0,0 Sem Importância
0,5 Importância Pequena
1,0 Importância Média
1,5 Importância Grande
2,0 Importância Muito Grande
(Fonte: Ribeiro et al., 2000)
Para que os valores do índice de importância fossem corrigidos, avaliou-se a
competitividade da empresa e sua estratégia para cada um dos itens da qualidade demandada.
87
Para a avaliação competitiva (Mi), foram atribuídos conceitos aos itens da qualidade
demandada, comparando a empresa onde foi realizado o estudo com a concorrência. Os
conceitos possíveis eram conforme Tabela 10.
Tabela 10 – Escala para avaliação competitiva (Mi)
0,5 Acima da Concorrência
1,0 Similar à Concorrência
1,5 Abaixo da Concorrência
2,0 Muito Abaixo da Concorrência
(Fonte: Ribeiro et al., 2000)
A avaliação estratégica (Ei) constituiu-se através de conceitos que representavam a
relevância do item da qualidade para os negócios da empresa. Os conceitos possíveis eram
conforme Tabela 11.
Tabela 11 – Escala para avaliação estratégica (Ei)
0,5 Importância Pequena
1,0 Importância Média
1,5 Importância Grande
2,0 Importância Muito Grande
(Fonte: Ribeiro et al., 2000)
Para a definição das características da qualidade, organizou-se uma equipe
multifuncional na empresa onde se realizou o estudo. Foi utilizada a mesma equipe da
formulação do FMEA de Produto, com o acréscimo de um dos responsáveis pelas vendas
deste capacitor por contato mais direto com os clientes, suas necessidades e dificuldades.
O preenchimento na Matriz da Qualidade, do relacionamento dos itens da qualidade
demandada com as características da qualidade foi realizado obedecendo aos índices definidos
pelo grupo multidisciplinar. Os conceitos de relacionamento adotados eram conforme Tabela
12.
88
Tabela 12 – Escala de relacionamento dos itens da qualidade demandada
9 Relacionamento Forte
3 Relacionamento Moderado
1 Relacionamento Fraco
0 Sem Relacionamento
(Fonte: Ribeiro et al., 2000)
As especificações atualmente empregadas pela empresa foram descritas na Matriz da
Qualidade. Em seguida, calculou-se a importância (IQj) de cada uma das características da
qualidade, considerados os relacionamentos das características da qualidade com os itens da
qualidade e a importância relativa de cada item da qualidade demandada.
Foram, então, avaliadas as dificuldades de atuação sobre as características da
qualidade (Dj). Para a definição da dificuldade em modificar as especificações das
características da qualidade utilizou-se os conceitos da Tabela 13.
Tabela 13 – Escala para dificuldade de atuação (Dj)
0,5 Muito Difícil
1,0 Difícil
1,5 Dificuldade Moderada
2,0 Fácil
(Fonte: Ribeiro et al., 2000)
A avaliação competitiva das características da qualidade (Bj) foi realizada pelo grupo
em seguida, levando em consideração apenas os critérios técnicos dos produtos. Para esta
etapa utilizou-se a ferramenta de benchmarking, baseada nas análises comparativas já
efetuadas com os componentes dos concorrentes. Para a avaliação competitiva foram
utilizados os conceitos da Tabela 14.
Tabela 14 – Escala para avaliação competitiva (Bj)
0,5 Acima da Concorrência
1,0 Similar à Concorrência
1,5 Abaixo da Concorrência
2,0 Muito Abaixo da Concorrência
(Fonte: Ribeiro et al., 2000)
89
Com os valores de IQj, Dj e Bj, foi possível calcular o valor da priorização da
característica da qualidade (IQj*), conforme equação (2). A matriz da qualidade está no
Apêndice II.
Com a Matriz da Qualidade definida, o grupo iniciou o desdobramento da Matriz de
Produto (Apêndice III) com as diferentes partes que compõem o capacitor. Foram listadas,
primeiramente, todas as matérias-primas utilizadas nos capacitores. Estas matérias-prima
foram listadas na coluna do desdobramento do produto. A cada uma delas estabeleceu-se os
índices de relacionamento com as características da qualidade (PQij). Novamente, foram
utilizados os seguintes fatores para definir a relação, conforme descrito na Tabela 15.
Tabela 15 – Escala de relacionamento das características da qualidade
9 Relacionamento Forte
3 Relacionamento Moderado
1 Relacionamento Fraco
0 Sem Relacionamento
(Fonte: Ribeiro et al., 2000)
Efetuou-se então, o cálculo da definição da importância das partes (IPi), conforme
equação (5). Com a definição da dificuldade (Fi) e tempo de implementação de melhoria (Ti),
pôde-se calcular a importância das partes corrigida (IPi*), conforme equação (6).
Esta foi a última etapa do QFD realizada para este estudo. Assim sendo, baseado nos
resultados do QFD realizado e nas priorizações que resultaram deste trabalho, foram
apontadas as melhorias que devem ser planejadas. As principais delas estão ligadas ao
estabelecimento de um modelo térmico para os capacitores.
3.2.3 Método para a Definição do Modelo Térmico Matemático
Antes de definir o modelo térmico matemático é necessário realizar testes práticos.
Em tais testes, foram avaliados diferentes designs de capacitores para a mesma aplicação, sob
condições distintas.
90
É importante a definição de um modelo térmico matemático para os capacitores, pois
a qualidade do produto está diretamente ligada ao desempenho térmico. Quanto mais quente
for o interior do capacitor, menor será sua vida útil e, portanto, menor será a garantia dada
pela empresa onde se realiza o estudo. A necessidade da definição do modelo térmico
matemático ficou evidente através do uso dos métodos utilizados (FMEA e QFD).
Os testes serão realizados sob a mesma temperatura, dentro de estufas que mantêm a
temperatura constante e independente da temperatura externa. Cada teste terá a duração
mínima de oito horas em estufas que manterão a temperatura a 60ºC. Como o capacitor
também gera calor com a passagem da corrente elétrica, são necessárias estas oito horas para
que todo o sistema, capacitor energizado mais o aquecimento da estufa, entrem em
estabilidade térmica. Após a estabilidade, é avaliada a diferença entre a temperatura externa
ao capacitor (na estufa) e a temperatura no ponto mais quente do capacitor (hot spot).
Todos os testes são realizados com, pelo menos, quatro termopares, podendo chegar
até a oito termopares nos capacitores maiores. Os termopares são posicionados dentro dos
capacitores conforme na Figura 26, dependendo se a construção é com uma ou duas bobinas.
CH5
CH4
CH7
CH3
CH6
CH8
CH2
CH1
CH5
CH6
CH3
CH1CH4
CH2
(a) duas bobinas (b) uma bobina Figura 26: Posição dos termopares: (a) com duas bobinas e (b) com uma bobina
Fonte: Elaborada pelo autor
91
Os critérios utilizados para definir os pontos para medição, no capacitor de duas
bobinas, foram (i) os pontos entre as camadas de schoopagem das duas bobinas (6 e 7) por ser
uma área com pequena quantidade de resina e alta potência concentrada; (ii) os pontos de
corrente máxima (4 e 8), e (iii) a região que apresenta o maior índice de sobreaquecimento do
filme, a um terço da altura do capacitor em relação aos terminais, em três pontos específicos
(5, 3 e 2). Com estes três termopares, é possível avaliar o comportamento da temperatura no
interior do capacitor, no eixo horizontal. Analisados os pontos 4, 5, 6 e 8 também se pode
fazer uma análise do comportamento térmico do capacitor no eixo vertical. Também foram
adicionados dois termopares externos, sendo um no ambiente (termopar número 1) e outro na
caneca (termopar número 2). A existência do termopar número 2 se justifica, pois, em muitos
casos, o teste térmico é realizado em peças que já estão prontas e sem os outros termopares
em posições conhecidas dentro do capacitor. Assim, conhecendo o comportamento da
temperatura na caneca e sua relação com o hot spot, pode-se estimar o valor da máxima
temperatura somente através da temperatura externa. Para o capacitor com uma bobina, foram
somente eliminados os pontos de medição que avaliavam o contato entre as bobinas,
mantendo os pontos 1, 2, 3, 4, 5 e 6, conforme Figura 26.
São realizadas leituras periódicas das temperaturas durante o dia. Após a estabilidade
térmica ser atingida, o principal ponto a ser observado é a diferença de temperatura do
ambiente da estufa e do hot spot.
Os testes então são realizados com quatro variáveis que, segundo o grupo da
empresa, representavam maior influência sobre a temperatura do hot spot. Cada qual terá dois
níveis avaliados, um alto (+) e outro baixo (-). É importante salientar que todas estas variáveis
representam construções que podem ser utilizadas e que o objetivo do teste não é verificar
qual delas apresenta o menor sobreaquecimento, mas sim, o comportamento da temperatura
92
dentro do capacitor, em cada uma das possíveis construções. As variáveis adotadas serão os
seguintes:
- diâmetro do capacitor (A);
- quantidade de bobinas (B);
- capacitância (C);
- corrente de aplicação (D).
A Tabela 16 apresenta os níveis utilizados para cada variável e as combinações de
todos os testes. Serão realizados todos os 16 testes e não serão analisadas as interações pois
cada um dos 16 testes representa uma construção possível.
Tabela 16 – Matriz de Testes
Diâmetro do Capacitor (mm)
Quantidade de Bobinas
Capacitância Corrente de Aplicação
75 1 Alta 50
75 1 Alta 55
75 1 Baixa 50
75 1 Baixa 55
75 2 Alta 50
75 2 Alta 55
75 2 Baixa 50
75 2 Baixa 55
85 1 Alta 50
85 1 Alta 55
85 1 Baixa 50
85 1 Baixa 55
85 2 Alta 50
85 2 Alta 55
85 2 Baixa 50
85 2 Baixa 55
(Fonte: Elaborado pelo Autor)
Conforme descrito na Tabela 16, serão realizados dezesseis testes. Devido aos custos
da realização dos testes e aos custos das próprias amostras, cada um será realizado somente
uma vez, num capacitor, totalizando dezesseis capacitores testados.
93
Em cada teste, serão avaliadas todas as temperaturas descritas na Figura 26. De todas
as temperaturas a serem medidas, observar-se-á principalmente, qual a temperatura do hot
spot. A diferença de temperatura do hot spot para a temperatura ambiente externa do
capacitor, chamada de ∆T, será registrada para cada teste e comparada entre eles.
Com os valores de ∆T e das temperaturas medidas, será traçado um perfil teórico do
comportamento térmico dos capacitores, no eixo vertical e horizontal. Assim, pode-se avaliar
melhor, graficamente, o comportamento térmico dos capacitores ao longo do tempo.
No próximo capítulo, serão apresentados os estudos realizados e os resultados
obtidos seguindo este método. Também serão expostas as planilhas do FMEA de produto e a
planilha com o desdobramento da função qualidade.
94
4 APLICAÇÃO DA ABORDAGEM PROPOSTA
Neste capítulo, serão divulgados os resultados do uso dos métodos de
desenvolvimentos propostos. Também serão apresentados os resultados do teste realizado e
sua relação com os modelos teóricos existentes. Como resultado desta relação, será exposto o
modelo matemático que expressa o comportamento térmico dos componentes.
4.1 Aplicação do FMEA
O primeiro método utilizado foi o FMEA de Produto, conforme proposto por Ginn et
al. (1998). A equipe foi formada por dois engenheiros de produto, dois técnicos de produto, o
engenheiro responsável pelo desenvolvimento das matérias-primas, um engenheiro de
processo e um representante do marketing de produto. Os encontros ocorreram numa
freqüência semanal, sendo realizados em dois dias e com duração de uma hora e meia. Ao
todo, foram necessários onze encontros para elaborar o FMEA de Produto.
Seguindo o uso do método, listou-se as funções do produto. Para evitar que alguma
função fosse esquecida, foram elencados todos os materiais utilizados no componente. Com
base na lista de materiais, definiu-se as funções do produto que estavam relacionadas a cada
matéria-prima.
Para cada uma das funções, foram listados os modos de falha conhecidos pelo grupo.
Os principais modos de falha e os que foram mais recorrentes no FMEA de Produto foram os
seguintes:
- Tubete não provê suporte mecânico à bobina: o tubete, como núcleo do capacitor,
tem a função de dar suporte mecânico às voltas de filme metalizado que estão bobinadas sobre
95
ele. Sem o suporte mecânico do núcleo, as camadas do filme metalizado cedem e o filme
entra em curto.
- Não dissipa ou dissipa pouca energia térmica: a dissipação térmica é o fenômeno
responsável pela remoção do calor de dentro do capacitor. Considerando que a alta
temperatura tem um efeito negativo sobre a expectativa de vida do componente, muitos
materiais têm a função de auxiliar na dissipação térmica. Este foi um dos modos de falha mais
repetidos durante a análise. Isto deixou claro para o grupo que estava trabalhando no FMEA
que era necessário um estudo para estabelecer um modelo térmico para os capacitores.
- Capacitância incorreta e perda de capacitância: a capacitância é a característica de
desenho mais importante de um capacitor. A perda de capacitância com o passar do tempo ou
a capacitância incorreta levam ao não funcionamento do equipamento do cliente.
- Falha de contato: um bom contato elétrico é fundamental para a passagem da
corrente pelo capacitor. Sem corrente, o capacitor não funciona. Com um contato
intermitente, a passagem de corrente fica dificultada e, conseqüentemente, é incluída uma
nova fonte geradora de calor dentro do capacitor.
- Não suportar a tensão da aplicação: a tensão, assim como a capacitância, é uma
importante característica do desenho do capacitor. O capacitor que não suportar a tensão de
aplicação entrará em curto, afetando o funcionamento do equipamento do cliente.
- Conduzir pouca corrente e redução da corrente com o tempo: a corrente eficaz é, na
maioria das aplicações, a corrente máxima que o capacitor suporta. Caso ele não suporte esta
corrente ou reduza sua capacidade de suportar corrente com o passar do tempo, o
equipamento do cliente poderá apresentar falhas durante o funcionamento e redução de sua
vida útil.
96
- Não regenerar: a capacidade de regenerar pontos mais fracos que são possíveis
locais de curto-circuito é uma vantagem dos capacitores de filme plástico. Sem esta
capacidade de auto-regeneração, os curtos-circuitos e as falhas nos capacitores seriam mais
freqüentes e mais danosos aos componentes que cercam o capacitor.
- Não suportar a pressão de atuação do dispositivo interruptor: suportar o aumento da
pressão interna do capacitor, no caso de algum curto-circuito, é função de todos os materiais
do capacitor, principalmente, aqueles que são acessíveis externamente, como a caneca e o
disco superior.
- Não proteger a bobina da umidade: a umidade corrói a camada metalizada do filme
plástico, em particular, a camada de zinco. Sem a camada metalizada, o capacitor reduz sua
capacitância, uma vez que a área ativa será reduzida (ver equação 25).
- Vazamento: por ser líquida, a resina pode vazar, caso o capacitor não esteja
hermeticamente fechado. O vazamento, além do problema estético, reduz a vida útil do
componente.
- Identificar incorretamente o produto: os erros de identificação do produto e de
montagem incorreta do produto estão, em muitos casos, relacionados a erros no banco de
dados do produto. É nele que estão todas as informações que devem constar no carimbo, todos
os materiais que devem ser utilizados na sua construção e os procedimentos adotados para
produção e testes de cada produto. Informações incorretas nestes bancos de dados ocasionam
o envio de capacitores não-conformes para os clientes. Um software automático de cálculo e
gerenciamento do banco de dados deverá ser utilizado para evitar os enganos que ocorrem por
desatenção humana.
- Curto-circuito: evitar o curto-circuito entre as partes do capacitor ou entre o
capacitor e os outros componentes que constituem o equipamento do cliente é um pré-
97
requisito básico para o funcionamento do capacitor. Curtos-circuitos de qualquer natureza
sempre ocasionam o não-funcionamento do equipamento do cliente. Por este motivo, foi
definido que deveria ser realizada uma reavaliação da barreira de isolação elétrica dos discos
superiores. Esta barreira tem a função de aumentar a distância por superfície1 entre os
terminais e de isolá-los também pelo ar.
- Terminais desalinhados: os terminais devem estar alinhados para permitir o melhor
contato do barramento sólido com o capacitor. Terminais desalinhados dificultam a
montagem do capacitor no cliente.
- Solda fria: a solda fria é uma conexão de qualidade ruim, onde não há aderência da
liga de solda aos materiais que estão sendo soldados. Ela ocorre, principalmente, devido à
falta do fluxo que está no núcleo do fio de solda e é responsável pela remoção dos óxidos que
impedem a aderência da liga de solda aos materiais que estão sendo soldados. Para evitar a
falta de fluxo no núcleo do fio de solda, será desenvolvido um método para aplicação de
fluxo, independente do fio de solda. Assim, haverá um controle externo para garantir a
presença do fluxo no momento da solda. Outro motivo da solda fria é a baixa temperatura do
ferro de solda. Para evitar soldas com temperaturas baixas, serão definidos padrões de
temperaturas mínimas para o ferro de solda.
Para os valores de severidade, ocorrência e detecção foram utilizados os fatores da
empresa onde se realizou o estudo. Nos itens com NPR maior que cem, foram definidas ações
para reduzir o risco. Também se estabeleceram algumas ações, para itens com pontuação
menor que cem, pois trata-se de ações necessárias e de baixo custo de implementação.
Conforme pode ser observado no FMEA de Produto elaborado pela equipe, que se encontra
1 Menor distância entre dois pontos, sempre passando pela superfície que une estes dois pontos. Linhas imaginárias no ar não podem ser consideradas quando se deseja saber a distância por superfície.
98
no Apêndice I, nenhum item apresentou pontuação S x O maior que quarenta e cinco,
portanto, nenhuma ação foi originada por este índice.
Muitos testes realizados anteriormente em outros produtos, que usam as mesmas
matérias-primas, foram utilizados como base para aprovação inicial por similaridade. Estes
testes foram repetidos para confirmar a similaridade, mas ainda se observa uma falta de
conhecimento quanto ao comportamento térmico dos componentes. O comportamento
térmico não pode ser baseado em outros componentes similares para aplicações diferentes,
pois a aplicação em UPS possui níveis de harmônicas2 que não são encontradas em outras
aplicações. As harmônicas são responsáveis pelo aumento da corrente do componente que
está diretamente ligada ao seu comportamento térmico. Esta falta de conhecimento mais
aprofundado sobre o comportamento térmico dos capacitores nesta aplicação ficou evidente
na quantidade de ações que solicitaram uma investigação para a modelagem térmica do
componente.
Além da modelagem térmica do capacitor, também devem ser implementadas ações
em fornecedores, em alguns materiais utilizados e no processo produtivo. A responsabilidade
pelas ações foi dividida entre os participantes do FMEA e, para cada ação, estabeleceu-se um
prazo-limite para sua realização. Para cada ação foram definidos os valores de severidade,
ocorrência e detecção, que são esperados após a implementação da ação. O valor de NPR
esperado deve ser obrigatoriamente menor que cem. Caso contrário, outra ação deve ser
implementada para reduzir o NPR. Após a implementação de cada ação, os índices de
severidade, ocorrência e detecção reais são comparados com os índices esperados para
confirmar que o valor do risco realmente será menor que cem, avaliando assim se a ação foi
eficaz.
2 Harmônicas são componentes senoidais de uma tensão ou corrente alternada com uma freqüência igual a um múltiplo inteiro da freqüência sistemar. São componentes de alta freqüência que quando injetadas na rede elétrica causam distorções no formato senoidal ideal das redes alternadas (MOURA; FILGUEIRAS, 2005).
99
4.2 Aplicação do QFD
As matrizes do desdobramento da qualidade e do produto foram realizadas pela
mesma equipe que realizou o FMEA, com o acréscimo dos responsáveis pelas vendas dos
produtos por terem um contato mais direto com os clientes.
Foram definidos os itens do nível primário da qualidade demandada: (i) durabilidade,
(ii) aparência, (iii) segurança e (iv) atendimento aos requisitos. Não foram atribuídos graus de
importância para o nível primário, pois a quantidade de itens no nível secundário não era
idêntica para cada nível primário e nenhum item do nível secundário pôde ser desconsiderado
ou remanejado de acordo com a equipe. Os itens secundários da qualidade demandada foram
extraídos das especificações dos dez maiores clientes, excluindo as solicitações especiais dos
projetos dos clientes. Estes itens da qualidade demandada foram compilados e os resultados
apresentados na Tabela 17. Um questionário foi enviado para estes dez maiores clientes
solicitando a avaliação da importância de cada um dos itens desta árvore para sua empresa.
Todos os clientes responderam ao questionário e a média destes conceitos pode ser vista nas
colunas Peso e Peso Percentual da Tabela 17.
O valor do peso percentual de cada item expressa a importância (IDi) daquele item
para o cliente. Os conceitos atribuídos pela equipe para a Avaliação Estratégica (Ei) e
Avaliação Competitiva (Mi) foram utilizados para calcular o valor corrigido da importância
do item (IDi*). O desdobramento da matriz da qualidade pode ser analisado no Apêndice II.
Baseado no resultado apresentado pelo QFD, os itens da qualidade demandada que
apresentam maior importância para o cliente e para a empresa são:
- baixa perda de capacitância;
- baixo auto-aquecimento;
- longa vida útil;
100
- atender às dimensões especificadas;
- suportar a tensão de aplicação;
- suportar a corrente de aplicação;
- não apresentar vazamento de qualquer tipo;
- trabalhar dentro dos limites de temperatura.
Tabela 17 – Compilação dos Questionários
C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 PESO PESO% (IDi)Baixa perda de Capacitância
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2,00 7,1%
Baixo Auto-Aquecimento2 2 1,5 2 2 2 1,5 2 2 2 1,90 6,7%
Longa Vida Útil 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2,00 7,1%Identificação Legível 1 1,5 1,5 1,5 2 1,5 1 1,5 2 2 1,55 5,5%Identificação Durável 0,5 1 1 0,5 1 0,5 1 1 1,5 1 0,90 3,2%Livre de Marcas na Superfície 0,5 1,5 0,5 1 2 1,5 2 1,5 1 2 1,35 4,8%
Possuir dispositivo de Interupção 1 1 1,5 0,5 1 1,5 1,5 1 1,5 1,5 1,20 4,2%
Atender às Dimensões Solicitadas
1,5 1,5 1,5 1 2 2 1,5 1,5 1 0,5 1,40 4,9%
Atender à Capacitância dentro da Tolerância Especificada
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2,00 7,1%
Suportar a Tensão de Aplicação
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2,00 7,1%
Suportar a Corrente de Aplicação
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2,00 7,1%
Atender às Normas Internacionais para Capacitores (UL810 e IEC1071-1/2)
1,5 1,5 1,5 2 2 1,5 1 1,5 2 2 1,65 5,8%
Não apresentar vazamento de qualquer tipo
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2,00 7,1%
Suportar torque da montagem
1,5 1,5 2 1,5 2 1,5 2 2 1,5 2 1,75 6,2%
Possibilitar montagem rápida e com contatos seguros
1 0,5 1 1 1 1,5 2 0,5 2 1 1,15 4,1%
Trabalhar dentro dos limites de temperatura requisitados
2 2 2 1,5 2 2 2 1,5 2 2 1,90 6,7%
Atender às Normas Ambientais
1 0,5 0,5 1 1 1,5 1 0,5 0,5 1 0,85 3,0%
Baixa Quantidade de Resíduo das Embalagens
0,5 0,5 1 1 0,5 0,5 1,5 1 0,5 0,5 0,75 2,6%
(Fonte: Autor, 2006)
Itens como “Suportar torque de montagem” também apresentaram uma importância
(IDi) alta, mas, devido à equivalência da empresa com a concorrência e a estratégia adotada,
101
seu índice de importância corrigido não conduz a uma necessidade de investimento. Por sua
vez, “Atender às dimensões solicitadas” ganhou importância devido à estratégia de esforços
na redução do tamanho dos componentes e na pesquisa de novos materiais.
Analisando a lista dos itens mais importantes, observa-se uma tendência dos clientes
em focar sua atenção para itens relacionados à durabilidade do componente, seu
comportamento térmico em relação à aplicação e às principais propriedades mecânicas
(dimensional e vazamento). Isto se justifica devido ao conhecimento dos clientes sobre os
pontos mais fracos do componente. Itens como “Atender às normas internacionais” e
“Atender à capacitância dentro da tolerância” são importantes para os clientes, mas são
consideradas necessidades básicas. Se um fornecedor não atende a estes requisitos, ele está
completamente fora do mercado.
Dando continuidade à análise da Matriz da Qualidade, foram listadas as
especificações atuais das características da qualidade. Sua importância técnica (IQj) foi
calculada e corrigida através dos índices de Avaliação da Dificuldade (Dj) e Avaliação
Competitiva (Bj). Com isto, obteve-se o valor da Importância Técnica Corrigida (IQj*). As
principais características foram:
- auto-aquecimento;
- dissipação térmica;
- coeficiente de durabilidade;
- limite superior de temperatura;
- tempo de vida.
Novamente, confirmando o que já havia sido observado na análise dos itens da
qualidade demandada, as principais características da qualidade estão relacionadas à
102
durabilidade do componente e ao seu comportamento térmico. Isto justifica novamente a
necessidade de aprimoramento nestes dois requisitos.
Com os dados da Importância Técnica Corrigida (IQj*), iniciou-se o desdobramento
da Matriz do Produto, mantendo as características da qualidade definidas na Matriz da
Qualidade. Todos os materiais utilizados nos produtos foram listados e estabeleceu-se sua
relação com cada uma das características da qualidade, conforme pode ser visto no Apêndice
III.
O índice de importância de cada material (IPi) foi calculado. Seu valor foi corrigido
ao analisar-se a Dificuldade de Implementação de melhorias (Fi) e o Tempo Necessário para a
Implementação (Ti) das melhorias em cada material do produto. O valor da importância
corrigida calculada (IPi*) definiu que o desenvolvimento nos seguintes materiais devam ser
priorizados:
- tipo de conexão: que pode aprimorar principalmente a dissipação térmica que está
diretamente relacionada a uma maior durabilidade do componente.
- borda de reforço: que está relacionada ao auto-aquecimento do componente e sua
capacidade de corrente e conseqüente durabilidade.
Encerrando o uso do QFD, pode-se observar que as duas matrizes desdobradas
apresentam uma forte necessidade de se aprimorar os conhecimentos na durabilidade e no seu
comportamento térmico. Baseado nos estudos de Kong e Lee (2004), que demonstram que a
cada 8°C de aumento da temperatura do componente, sua expectativa de vida se reduz pela
metade, fica confirmada a necessidade de ser iniciado o aprimoramento técnico através da
modelagem térmica do componente na sua aplicação.
Antes deste estudo, o uso de métodos de melhoria não era uma prática comum no
desenvolvimento de produtos na empresa onde ser realizou o estudo. A utilização do método
103
proposto para melhorar os capacitores se mostrou uma maneira organizada, didática e
sistemática de desenvolver e melhorar os produtos. Devido à estas vantagens apresentadas e à
versatilidade destes métodos, sugere-se sua utilização em outros setores da empresa.
4.3 Realização dos Ensaios e Modelagem Térmica
Como o aquecimento interno do capacitor é causado pela passagem da corrente (EL-
HUSSEINI et al., 2002), ele pode ser calculado através das perdas geradas através desta
passagem de corrente. Portanto, o primeiro passo para a modelagem térmica é a definição
teórica e matemática das perdas totais do capacitor.
Lembrando o que já foi dito no referencial teórico, conforme Seguin et al. (1998),
existem dois tipos de perdas possíveis dentro do capacitor. As perdas ôhmicas (PΩ) e as
perdas dielétricas (PD) que são representadas, respectivamente, pela resistência ôhmica (RΩ) e
pela resistência do dielétrico (RD), conforme equação (13).
Para o cálculo das perdas, é necessário conhecer as correntes e freqüências que serão
aplicadas ao capacitor. Esta informação deve ser fornecida pelo cliente. A Tabela 18 refere-se
a um exemplo de tabela fornecida por certo cliente.
Com as perdas ôhmicas e dielétricas definidas, pode-se calcular o valor da resistência
série equivalente, conhecida também como ESR, através da equação (13). O valor do ESR do
capacitor será necessário para o cálculo da temperatura máxima do capacitor, uma vez que ele
representa o total das perdas existentes dentro do capacitor.
104
Tabela 18 – Tensões e correntes de cada harmônica
Freqüência (Hz) Tensão (Vac) Corrente (A)
60 250 25,44
120 8 3,2
240 1,1 0,82
360 0,9 0,3
480 0,7 0,35
600 0,02 0,0015
TOTAL 25,65
(Fonte: Autor, 2007)
Baseado na afirmação da Electronicon (2006) de que a diferença de temperatura do
ambiente externo do componente até o seu hot spot pode ser conhecida através da equação
(24), está faltando somente a determinação do valor da resistência térmica para os capacitores.
O valor da resistência térmica pode ser definido através de cálculos teóricos, baseado nos
efeitos de condução, convecção e radiação (EL-HUSSEINI et al., 2002), mas devido à falta de
conhecimento de algumas variáveis e aos equipamentos disponíveis para análises, foram
realizados testes práticos, onde o valor da resistência térmica pôde ser calculado.
Os testes práticos levaram em consideração a dimensão do capacitor, a dimensão da
bobina, a quantidade de bobinas e a corrente de teste. Os testes foram realizados conforme o
plano de testes apresentado na Tabela 16. As temperaturas foram medidas automaticamente,
pelo menos uma vez por minuto, com os termopares posicionados conforme a Figura 26, onde
cada termopar está representado por um canal (CH nas Figuras 27 a 36). Os valores de
temperatura medidos para as duas correntes em cada teste estão nas Figuras 27 a 36. Cada
teste foi executado em quatro etapas onde se alterava o nível de corrente aplicada. O primeiro
nível de corrente aplicado foi sempre de 40A, seguido de 45A, 50A e 55A, conforme
exemplificado na Figura 27. Este procedimento de iniciar o teste com níveis de corrente
menores, foi adotado para evitar um sobreaquecimento inesperado que pudesse causar algum
dano aos equipamentos utilizados, através de um curto ou uma fusão, por exemplo. O
aumento de corrente ocorreu sempre após ser atingida a estabilidade térmica na corrente que
105
estava sendo avaliada. Neste trabalho, apesar dos testes iniciarem com correntes menores,
foram consideradas somente as correntes de 50A e 55A no cálculo das perdas.
Em alguns dos gráficos como os das Figuras 29, 30 e 36 podem ser observadas
variações na temperatura semelhantes a ruídos. Estas variações são devido ao campo
magnético intenso do inversor utilizado. Na maioria dos casos, conseguiu-se anular ou, pelo
menos minimizar o efeito do campo magnético nos termopares. Outros gráficos como os das
Figuras 33, 34, 35 e 36 apresentam variações repentinas de temperatura, que são provenientes
da abertura da estufa ou de paradas do teste durante o período da noite. É importante enfatizar
que estas paradas e variações não interferem no resultado final, uma vez que são levadas em
consideração apenas as temperaturas lidas em estabilidade.
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10:04
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°C
CH1
CH2
CH3
CH4
CH5
CH6
Figura 27: Comportamento térmico com 40A, 45A, 50A e 55A de capacitor diâmetro 75mm com uma bobina pequena
Fonte: Autor (2007)
Como no capacitor da Figura 27, foram avaliadas somente as diferenças de
temperaturas nas correntes de 50A e 55A (corrente nominal do capacitor e corrente 10%
maior que a nominal, respectivamente), após ser atingida a estabilidade térmica. Ainda no
exemplo da Figura 27, a estabilidade térmica com 50A ocorre logo após às 10h do segundo
40A 45A 50A 55A
106
dia de testes e a com 55A somente no final do teste, após as 15h30min neste mesmo dia.
Foram realizadas leituras das temperaturas de estabilidade nos diversos pontos definidos para
as medições, focando, principalmente, na diferença de temperatura entre o ambiente e o hot
spot. Observa-se que para o capacitor avaliado na Figura 27, o hot spot sempre esteve no
ponto onde estava localizado o termopar do canal cinco (CH5).
Em todos os testes, foi identificou-se o local do hot spot e observou-se a diferença de
temperatura. Ainda no exemplo da Figura 27, as temperaturas dos seis canais (um canal para
cada termopar) com corrente de 50A e 55A estão representadas na Tabela 19. Na tabela 19 o
termopar que apresentou a maior temperatura está grifado (CH5). Para obter-se a diferença de
temperatura entre a temperatura ambiente e a temperatura do hot spot deve-se calcular a
diferença de temperatura entre o ponto CH1 e o ponto do hot spot. Para o exemplo da Tabela
12, as diferenças de temperatura foram 32,88°C e 40,20°C nas correntes de 50A e 55A,
respectivamente.
Tabela 19 – Temperaturas a 50A e 55A
Termopar 50A 55ACH 1 54,88 54,69CH 2 65,76 68,17CH 3 70,67 74,17CH 4 79,36 84,99CH 5 87,76 94,89CH 6 86,65 92,96
(Fonte: Autor, 2007)
As temperaturas do teste em um capacitor de 75mm de diâmetro com uma bobina
grande estão na Figura 28. A estabilidade térmica a 50A foi atingida no final do dia de
trabalho e, devido ao risco de aumentar a corrente em um horário em que não havia
acompanhamento no laboratório, o aumento de temperatura foi deixado para o dia seguinte.
Com 55A, a estabilidade térmica foi atingida ainda na manhã do dia seguinte, com uma
temperatura no hot spot (CH 5) acima de 95°C.
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2:35
4:13
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7:29
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°C
CH1
CH2
CH3
CH4
CH5
CH6
Figura 28: Comportamento térmico com 40A, 45A, 50A e 55A de capacitor diâmetro 75mm com uma bobina grande
Fonte: Autor (2007)
As temperaturas do teste com um capacitor de diâmetro 75mm e com duas bobinas
pequenas no seu interior estão na Figura 29. Neste caso, observa-se um ruído mais acentuado
no termopar CH8. Apesar da presença do ruído, observa-se que a temperatura no canal oito
segue um comportamento estável, variando em torno de um valor central sem grandes
variações em relação aos outros pontos medidos.
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0:21
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°C
CH1
CH2
CH3
CH4
CH5
CH6
CH7
CH8
Figura 29: Comportamento térmico com 40A, 45A, 50A e 55A de capacitor diâmetro 75mm com duas bobinas pequenas
Fonte: Autor (2007)
108
A última parte (com 55A) do teste com o capacitor de diâmetro 75mm, com duas
bobinas grandes teve que ser realizada no segundo dia, com leituras manuais separadas por
intervalos de, aproximadamente, 30 minutos, conforme as Figuras 30 e 31. Assim como no
teste anterior, este também apresentou um canal, o canal oito, com variação na leitura da
temperatura devido à interferência do ruído. A estabilidade térmica com 50A foi atingida
somente no final do dia e o teste teve de ser continuado no dia seguinte, conforme Figura 31.
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10:45 11:45 12:45 13:45 14:45 15:45 16:45
°C
CH1
CH2
CH3
CH4
CH5
CH6
CH7
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Figura 30: Comportamento térmico com 40A, 45A e 50A de capacitor diâmetro 75mm com duas bobinas grandes
Fonte: Autor (2007)
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°C
CH1
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CH3
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CH5
CH6
CH7
CH8
Figura 31: Comportamento térmico com 55A de capacitor diâmetro 75mm com duas bobinas grandes
Fonte: Autor (2007)
No caso do teste com o capacitor de diâmetro 85mm, com uma bobina pequena,
também foi necessário continuar o teste no dia seguinte, conforme as Figuras 32 e 33 . O teste
foi paralisado à noite devido ao perigo de sobreaquecimento num horário em que o
laboratório não está ocupado e que, portanto, não está sendo acompanhado. Na Figura 33 está
a continuação do teste, com corrente de 55A. Observa-se, nesta figura, uma pequena
perturbação na temperatura, principalmente nos canais um e dois. Esta perturbação ocorreu,
pois a porta da estufa teve que ser aberta para posicionar o capacitor num ponto mais afastado
do fluxo direto de ar quente. Com o posicionamento correto do capacitor dentro da estufa, o
teste foi continuado.
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°C
CH1
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Figura 32: Comportamento térmico com 40A, 45A e 50A de capacitor diâmetro 85mm com uma bobina pequena
Fonte: Autor (2007)
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°C
CH1
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CH5
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Figura 33: Comportamento térmico com 55A de capacitor diâmetro 85mm com uma bobina pequena
Fonte: Autor (2007)
A Figura 35 apresenta as temperaturas do teste realizado com um capacitor de
diâmetro 85mm com uma bobina grande no seu interior. O teste poderia ter sido concluído no
111
final do segundo dia, mas devido a uma forte interrupção no inversor que fornecia a corrente
para a peça, aproximadamente às 13h, o teste teve de ser prolongado por mais um dia,
justamente quando se estava atingindo a estabilidade térmica com 55A.
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3:45
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°C
CH1
CH2
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CH5
CH6
Figura 34: Comportamento térmico com 40A, 45A, 50A e 55A de capacitor diâmetro 85mm com uma bobina grande
Fonte: Autor (2007)
O teste com duas bobinas pequenas num capacitor de diâmetro de 85mm foi o único
em que a temperatura ambiente da estufa teve que ser diminuída durante o teste para evitar
um aquecimento excessivo da bobina (Figura 36). Esta redução ocorreu quando se aumentou
a corrente de 45A para 50A, aproximadamente às 9h do segundo dia de testes. Com a redução
de 5°C na temperatura da estufa (CH1), todas as temperaturas também reduziram 5°C para a
mesma corrente. Isto comprova que a diferença de temperatura entre o meio ambiente e o hot
spot é constante, independente da temperatura ambiente, para a mesma condição de aplicação.
No caso da Figura 36, com a temperatura na estufa em 50°C, a temperatura do CH4 foi de
aproximadamente 70°C a 50A. Caso a temperatura da estufa fosse mantida em 55°C para a
mesma corrente de 50A, a temperatura no canal quatro seria de aproximadamente 75°C.
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°C
CH1
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CH5
CH6
CH7
CH8
Figura 35: Comportamento térmico com 40A, 45A, 50A e 55A de capacitor diâmetro 85mm com duas bobinas pequenas
Fonte: Autor (2007)
A Figura 36 apresenta as temperaturas do capacitor de 85mm com duas bobinas
grandes. O teste foi realizado em dois dias e também foi desligado no período da noite devido
à possibilidade de aquecimento excessivo. O hot spot a 55A ficou pouco abaixo de 80°C.
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°C
CH1
CH2
CH3
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CH5
CH6
CH7
CH8
Figura 36: Comportamento térmico com 40A, 45A, 50A e 55A de capacitor diâmetro 85mm com duas bobinas grandes
Fonte: Autor (2007)
113
Na Tabela 19, pode-se verificar que o hot spot é o ponto onde estava localizado o
termopar número cinco, no núcleo do capacitor a uma altura equivalente a dois terços do
capacitor. Analisando as temperaturas dos outros testes, na Tabela 20, observa-se que o hot
spot situa-se sempre no núcleo do capacitor, como era esperado, e, na maioria dos casos, a
uma altura equivalente a dois terços do capacitor, conforme afirmado por Vetter (1997).
Na Tabela 20, podem ser conferidas as temperaturas de todos os ensaios, com o
sistema estável. Também na Tabela 20 estão os valores medidos do ESR, das dimensões do
componente e da freqüência de teste. Os cálculos das perdas dielétricas (PD), das perdas
ôhmicas (PΩ) e da diferença de temperatura (∆T) entre a temperatura ambiente e a
temperatura do hot spot foram realizados para cada componente testado e podem ser
observados na Tabela 20. Com estas informações, foi possível calcular a Resistência Térmica
(Rth) de cada capacitor, com as condições do ensaio.
Por ser uma constante específica de cada capacitor, o valor da resistência térmica é
praticamente constante nos dois níveis de corrente avaliados. Como era esperado, o valor da
resistência térmica é dependente do volume da peça (ELECTRONICON, 2006). Para
encontrar esta relação matemática, foi comparado o valor da resistência térmica média de
cada capacitor com o seu volume físico. O resultado pode ser analisado na Tabela 21.
Ordenando os valores de resistência térmica e comparando-os com os valores do
volume pode-se observar a tendência de relação entre estas duas variáveis. Com a ajuda da
planilha Excel, foi estimada a equação que melhor caracteriza esta relação. O gráfico da
resistência térmica versus o volume do capacitor e a equação da relação e a linha de tendência
podem ser observados na Figura 37. A modelagem desta equação, apesar de poucos pontos
observados, apresentou um coeficiente de determinação r2 igual a 0,9353, o que indica um
bom ajuste dos dados ao modelo da Figura 37, expressa conforme equação (26).
114
Tabela 20 – Temperaturas a 50A e 55A e respectiva resistência térmica
Termopar 50A 55A Termopar 50A 55A
CH 1 54,17 55,60 CH 1 54,97 55,03
Diâm. Can. (mm) 75 CH 2 60,52 63,60 Diâm. Can. (mm) 85 CH 2 57,69 58,64
Qt. Bob. 2 CH 3 61,41 65,00 Qt. Bob. 2 CH 3 60,06 61,54
Tamanho Bob. Grande CH 4 65,74 71,90 Tamanho Bob. Grande CH 4 68,84 71,94
Altura Cap. (mm) 267 CH 5 72,44 78,50 Altura Cap. (mm) 267 CH 5 72,97 77,21
Freq. (Hz) 128 CH 6 73,13 79,30 Freq. (Hz) 166 CH 6 75,04 78,97
ESR (mΩΩΩΩ) 3,49 CH 7 70,66 77,20 ESR (mΩΩΩΩ) 4,27 CH 7 69,08 72,09
Cap. (uF) 380 CH 8 61,70 65,40 Cap. (uF) 440 CH 8 63,58 65,23
PD (W) 1,64 1,98 PD (W) 1,09 1,32
PΩΩΩΩ (W) 8,73 10,56 PΩΩΩΩ (W) 10,68 12,92
∆∆∆∆T(C°) 18,96 23,70 ∆∆∆∆T(C°) 20,07 23,94
Rth (W/°C) 1,83 1,89 Rth (W/°C) 1,71 1,68
Termopar 50A 55A Termopar 50A 55A
CH 1 54,02 54,05 CH 1 49,90 49,86
Diâm. Can. (mm) 75 CH 2 60,70 62,51 Diâm. Can. (mm) 85 CH 2 54,43 55,58
Qt. Bob. 2 CH 3 66,93 69,45 Qt. Bob. 2 CH 3 71,30 74,72
Tamanho Bob. Pequeno CH 4 70,00 73,50 Tamanho Bob. Pequeno CH 4 70,11 74,57
Altura Cap. (mm) 198 CH 5 79,85 84,50 Altura Cap. (mm) 198 CH 5 76,40 82,25
Freq. (Hz) 176 CH 6 79,60 83,94 Freq. (Hz) 157 CH 6 72,36 76,57
ESR (mΩΩΩΩ) 3,52 CH 7 77,72 80,99 ESR (mΩΩΩΩ) 4,03 CH 7 60,14 62,09
Cap. (uF) 200 CH 8 69,01 71,87 Cap. (uF) 250 CH 8 60,58 62,50
PD (W) 2,26 2,74 PD (W) 2,03 2,45
PΩΩΩΩ (W) 8,80 10,65 PΩΩΩΩ (W) 10,08 12,19
∆∆∆∆T(C°) 25,83 30,45 ∆∆∆∆T(C°) 26,50 32,39
Rth (W/°C) 2,34 2,28 Rth (W/°C) 2,19 2,21
Termopar 50A 55A Termopar 50A 55ACH 1 54,72 54,76 CH 1 54,81 54,61
Diâm. Can. (mm) 75 CH 2 63,71 65,82 Diâm. Can. (mm) 85 CH 2 62,41 63,53Qt. Bob. 1 CH 3 67,33 70,04 Qt. Bob. 1 CH 3 66,65 68,82Tamanho Bob. Grande CH 4 78,64 84,51 Tamanho Bob. Grande CH 4 84,49 90,69Altura Cap. (mm) 151 CH 5 89,02 96,47 Altura Cap. (mm) 151 CH 5 83,19 90,33Freq. (Hz) 254 CH 6 82,96 89,11 Freq. (Hz) 168 CH 6 70,92 74,57
ESR (mΩΩΩΩ) 3,61 PD (W) 1,65 2,00 ESR (mΩΩΩΩ) 3,39 PD (W) 2,15 2,61
Cap. (uF) 190 PΩΩΩΩ (W) 9,03 10,92 Cap. (uF) 220 PΩΩΩΩ (W) 8,48 10,25
∆∆∆∆T(C°) 34,30 41,71 ∆∆∆∆T(C°) 29,68 36,08
Rth (W/°C) 3,21 3,23 Rth (W/°C) 2,79 2,81
Termopar 50A 55A Termopar 50A 55ACH 1 54,88 54,69 CH 1 55,29 54,86
Diâm. Can. (mm) 75 CH 2 65,76 68,17 Diâm. Can. (mm) 85 CH 2 62,52 62,76Qt. Bob. 1 CH 3 70,67 74,17 Qt. Bob. 1 CH 3 71,68 72,35Tamanho Bob. Pequeno CH 4 79,36 84,99 Tamanho Bob. Pequeno CH 4 81,9 82,08Altura Cap. (mm) 117 CH 5 87,76 94,89 Altura Cap. (mm) 117 CH 5 83,26 83,76Freq. (Hz) 248 CH 6 86,65 92,96 Freq. (Hz) 222 CH 6 90,96 90,71
ESR (mΩΩΩΩ) 1,33 PD (W) 3,21 3,88 ESR (mΩΩΩΩ) 2,34 PD (W) 2,87 3,47
Cap. (uF) 100 PΩΩΩΩ (W) 3,33 4,03 Cap. (uF) 125 PΩΩΩΩ (W) 5,85 7,08
∆∆∆∆T(C°) 32,88 40,20 ∆∆∆∆T(C°) 35,67 35,85
Rth (W/°C) 5,03 5,08 Rth (W/°C) 4,09 3,40
(Fonte: Autor, 2007)
115
Tabela 21 – Resistência térmica versus volume
Diâm. Can. (mm) Qt. Bob. Tamanho
Alt. Cap. (mm)
Rth (W/°C)
Volume Cap
(m3 x10-3)
75 2 G 267 1,86 1,18
75 2 P 198 2,31 0,87
85 2 G 267 1,70 1,52
85 2 P 198 2,20 1,12
75 1 G 151 3,22 0,67
75 1 P 117 5,06 0,52
85 1 G 151 2,80 0,86
85 1 P 117 3,75 0,66
(Fonte: Autor, 2007)
É importante enfatizar que a equação (26) representa uma primeira tendência do
comportamento e que os testes de estabilidade térmica continuarão sendo realizados em
outros tipos de capacitores. Com o aumento da quantidade de testes haverá mais dados para
melhorar ainda mais este primeiro ajuste expresso pela equação (26).
Rth = 2,35 / Volume1,0066 (26)
y = 2,3533x-1,0066
R2 = 0,9353
1,5
2,5
3,5
4,5
5,5
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00
Volume (m3 x10-3)
Rth (W/°C)
Rth x Volume
Potência (Rth x
Volume)
Figura 37: Resistência térmica versus volume
Fonte: Autor (2007)
Com o valor da resistência térmica definido, estão estabelecidas todas as variáveis de
entrada necessárias para a modelagem térmica dos capacitores. No apêndice IV, encontra-se
uma cópia da tela do software utilizado para a modelagem térmica dos componentes, sendo
116
que em amarelo estão os dados de entrada para o cálculo de todas as perdas, da resistência
térmica e, por fim, da diferença de temperatura entre o ambiente e o hot spot. Estes dados de
saída da planilha estão em azul.
4.4 Proposição de Melhorias
Baseadas nas necessidades dos clientes apontadas pelo QFD, nas ações definidas
pelo FMEA e nos resultados práticos dos testes realizados foram estabelecidas melhorias que
devem ser implementadas no produto. Estas têm o objetivo de aperfeiçoar a qualidade do
produto através de um processo de fabricação mais confiável, de matérias-primas mais
apropriadas para o produto e de um design mais adequado para a aplicação específica de cada
cliente. Tais melhorias definidas para serem implementadas no futuro próximo pela equipe da
empresa onde se realizou o estudo foram:
- Revisar os desenhos dos discos superiores, principalmente de suas barreiras, com o
objetivo de garantir a maior isolação elétrica possível entre os terminais e reduzir as folgas na
montagem, evitando, assim, problemas de vazamento da resina.
- Implementar novos controles na produção, conforme FMEA. O processo de
produção já conta com diversos controles, mas o FMEA de produto apontou a necessidade de
um controle adicional para garantir que a distância entre os terminais esteja conforme a
especificação. Para isto, será utilizado um gabarito e espera-se a eliminação deste tipo de
ocorrência nos clientes.
- Alterar o processo de produção para melhorar o processo de solda. Para a
temperatura de solda serão definidos os limites máximo e mínimo de temperatura, evitando,
assim, o excesso de temperatura sobre a schoopagem ou a solda fria. Por ser um processo
manual, o tempo de solda depende muito da experiência e da prática do trabalhador. Para
garantir a qualidade da solda, estabeleceu-se como obrigatório um curso avançado de solda
117
para os colaboradores que trabalharem nesta posição e que será composto por exercícios
práticos com acompanhamento dos supervisores de produção. Também foram determinados
padrões visuais de qualidade da solda. Com esta ação, espera-se eliminar os problemas de
solda por falta de experiência dos operadores. Apesar desta ação ser um aperfeiçoamento na
produção, o grupo entendeu que esta melhoria terá como conseqüência uma grande evolução
na qualidade do produto.
- Implementar um software para cálculo automático dos materiais dos capacitores e
revisão dos dados. Atualmente utiliza-se um software para o cálculo dimensional dos
capacitores, mas seus dados de saída devem ser alimentados manualmente no software
utilizado pela produção e pela logística, motivo pelo qual, já ocorreram erros de digitação ou
desatenção, em pequenas proporções, no momento desta transferência manual. Tais erros
causaram a compra incorreta do material ou de sua quantidade. Um software único, sem a
interferência manual sobre os dados de saída, resolverá este tipo de não-conformidade.
- Realizar mais testes de estabilidade térmica para comprovar e aprimorar o modelo
térmico desenvolvido neste trabalho. Este é um trabalho contínuo que seguirá as mesmas
etapas do trabalho prático descrito anteriormente.
- Direcionar os designs para capacitores de duas bobinas. Assim, a corrente que passa
por uma única bobina pode ser dividida em duas bobinas menores, reduzindo as perdas e o
valor da corrente por bobina. Conseqüentemente, o auto-aquecimento do componente será
menor e, com menos temperatura dentro do capacitor, seu tempo de vida será maior.
Estas propostas de melhoria surgiram durante a realização do projeto, baseada na
experiência dos componentes dos grupos e nos resultados dos testes. Algumas delas já foram
executadas por serem de fácil implementação e as outras estão em avaliação ou em fase de
testes.
118
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
Neste capítulo será apresentado um resumo das principais conclusões do trabalho,
bem como sugestões para a continuidade da pesquisa.
1.2 Tema
A criação e aperfeiçoamento dos métodos de desenvolvimento e melhoria de
produtos foi um passo importante para a melhoria da qualidade do setor de desenvolvimento
das empresas. Conforme Woiler e Mathias (1996), elaborar um projeto de desenvolvimento
com cuidado e seriedade é um importante instrumento no planejamento a longo prazo, pois
reflete como são tomadas as decisões na administração da empresa. O tema deste trabalho está
direcionado exatamente para o aumento da qualidade e durabilidade dos produtos.
1.3 Objetivos
Dentro do contexto abordado, o objetivo principal do trabalho é a sistematização de
um método para melhorar a qualidade de capacitores, utilizando métodos de melhoria da
qualidade de produtos.
1.3.1 Objetivos Secundários
Os objetivos secundários do trabalho são:
- definir padrões e sistemáticas de desenvolvimento de capacitores;
- adaptar e aplicar os métodos FMEA e QFD na realidade da empresa onde será
realizado o estudo.
119
5.1 Conclusões
Esta dissertação buscou a sistematização de um método para melhorar a qualidade de
capacitores, utilizando métodos de melhoria da qualidade de produtos. Antes do estudo
apresentado, os desenvolvimentos eram realizados sem ouvir a voz do cliente e sem a
utilização de ferramentas de desenvolvimento de produto. O uso sistemático de ferramentas
de desenvolvimento de produto versáteis colaborou para a melhoria da qualidade dos
desenvolvimentos da empresa.
Os métodos utilizados na empresa não levavam em conta a voz do cliente com a
mesma eficiência do QFD e este novo enfoque corroborou para a melhoria da qualidade do
produto em estudo. Já o FMEA de produto, apesar de ser utilizado na empresa, pôde ter sua
prática aprimorada pelos colaboradores. O FMEA de Produto utilizado antigamente foi
aprimorado, uma vez que apontou os principais fatores que devem ser controlados e
conhecidos ao se desenvolver um novo capacitor. Além disto, indicou algumas falhas
existentes no produto e outras características que puderam ser aprimoradas. Porém, a principal
contribuição do FMEA foi demonstrar, através de um método conhecido e consagrado, a
necessidade de se investir com urgência em um estudo sobre o comportamento térmico dos
capacitores. Esta necessidade de maior conhecimento sobre o comportamento térmico já era
esperada, mas a quantidade de modos de falha que podem ser amenizados ou eliminados com
o aumento do conhecimento térmico surpreendeu a todos do grupo.
O uso pela primeira vez do QFD no desenvolvimento de capacitores foi uma barreira
a ser quebrada dentro da empresa e com os clientes. Apesar das dificuldades iniciais impostas
pela novidade, o QFD se mostrou um método eficiente na priorização das ações, levando em
conta a voz do cliente, a posição dos produtos da EPCOS em relação aos seus concorrentes e
o investimento necessário para pôr a melhoria em prática. O QFD também confirmou a
esperada necessidade de investimento no conhecimento prévio do comportamento térmico dos
120
componentes. Além disto, apontou uma das melhorias que devem ser realizadas para dar
continuidade ao desenvolvimento do produto: conhecer a expectativa de vida dos
componentes nas diferentes aplicações dos clientes.
Seguindo as indicações dos dois métodos utilizados, foi possível estabelecer o
modelo térmico matemático dos capacitores. Este modelo térmico é válido para todos os
capacitores com a construção descrita neste trabalho e fornece informações precisas sobre a
temperatura máxima no interior do capacitor para qualquer que seja a condição de aplicação
do cliente. O conhecimento prévio da temperatura máxima dentro do capacitor é de
fundamental importância para a qualidade do componente e para a velocidade no
desenvolvimento, uma vez que não é mais necessário produzir amostras e realizar os testes
práticos para conhecer a temperatura no interior do componente. Conhecendo a temperatura
interna do capacitor, pode-se estimar sua vida útil, mesmo durante a fase mais embrionária do
desenvolvimento. Com esta informação fica mais fácil para o engenheiro implementar ações,
ainda na fase de projeto, que aumentarão a vida útil do componente, melhorando assim, sua
qualidade.
O modelo térmico para os capacitores para aplicação em UPS desenvolvido foi
baseado no conhecimento existente de outros pesquisadores desta área. Mas tão importante
quanto o desenvolvimento do modelo térmico, foi o conhecimento adquirido sobre o produto
em desenvolvimento. Sabe-se hoje que em capacitores com a mesma capacitância, mas com
maior número de bobinas internas, o auto-aquecimento é menor. Esta afirmação era um ponto
discutível antes da realização do estudo. Com a conclusão dos testes ficaram claros todos os
benefícios de se utilizar construções com duas bobinas para se reduzir a temperatura interna
do capacitor. Com os ensaios realizados, conseguiu-se confirmar que a diferença de
temperatura entre o meio ambiente e o hot spot é constante para uma determinada condição de
aplicação. Antes deste estudo, existia a dúvida sobre a real influência da temperatura ambiente
121
no hot spot do capacitor. Todos estes conhecimentos técnicos, adquiridos sobre o produto, são
importantes, estrategicamente, para obter uma vantagem tecnológica no mercado, em relação
à concorrência.
Os ensaios realizados também trouxeram um maior conhecimento das temperaturas
dentro do capacitor, num âmbito tridimensional. Hoje, pode-se comprovar que a temperatura
interna do capacitor possui uma forte tendência a reduzir nas proximidades da caneca, se
forem considerados os eixos x e y. A temperatura também apresenta uma forte tendência a
aumentar nas áreas mais próximas dos terminais, se for considerado o eixo z. Com isto,
conseguiu-se comprovar que o hot spot do capacitor fica no seu núcleo, em uma área acima da
metade da altura da bobina.
Finalmente, este primeiro trabalho, seguindo métodos de pesquisa, poderá ser
utilizado como um método padrão nos próximos desenvolvimentos da empresa. O
conhecimento adquirido pelo grupo é o know-how que justifica desenvolvimentos em
pesquisa básica que, por fim, permanecem nas empresas que investem em pesquisa e
desenvolvimento.
5.2 Sugestões para Continuidade da Pesquisa
Baseado no que foi apresentado anteriormente e na experiência adquirida durante a
execução deste trabalho, ficaram claros alguns pontos que ainda devem ser estudados ou
melhorados em trabalhos futuros.
A construção da matriz dos processos do QFD seria a próxima etapa a ser concluída.
Com a matriz dos processos, poderão ser priorizadas ações no processo produtivo dos
capacitores que melhorarão a qualidade do produto, atendendo às necessidades dos clientes.
Seguindo nesta mesma linha, o FMEA de processo deverá ser construído para a
elaboração do Plano de Controle do processo. A identificação antecipada dos itens críticos do
122
processo e a definição de seus controles garantirão maior qualidade e confiabilidade ao
produto.
O modelo matemático definido neste trabalho pode ser aprimorado com o uso de
elementos finitos para a transferência de calor. Assim, será possível o cálculo e a visualização
do hot spot em capacitores com diferentes formatos e materiais. Para isto, será necessário
apenas o conhecimento da resistência térmica ou da condutividade térmica dos materiais
envolvidos.
Por fim, constatou-se a necessidade do desenvolvimento de outro modelo
matemático, mas agora para a simulação da expectativa de vida dos componentes em
diferentes situações de temperatura, tensão e corrente. A aplicação dos capacitores nem
sempre segue padrões constantes durante sua vida e quanto mais estressante a condição,
menor será a vida útil do capacitor. Os testes de vida acelerados são ferramentas úteis para
simular a resposta do capacitor ao envelhecimento, mas, mesmo acelerado, estes testes têm
duração mínima de um mês. Com a definição de um modelo matemático, pode-se simular em
alguns minutos a expectativa de vida do capacitor para cada aplicação do cliente.
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Publicaciones: Buenos Aires, Argentina. N° 234. Abril/2003.
GLOSSÁRIO
AC Tensão alternada
CAD: Desenho auxiliado por computador, (do inglês Computer Aided Design)
CH canal (do inglês channel )
DC Tensão contínua
DFMEA Análise dos efeitos e modos de falha do desenvolvimento (do inglês Design
Failure Mode and Effects Analysis)
DFSS Desenvolvimento por seis sigma (do inglês Design for Six Sigma)
ESR Resitência série equivalente (do inglês Equivalent Series Resistance)
FMEA: Análise dos efeitos e modos de falha (do inglês Failure Mode and Effects
Analysis)
FTA Árvore de falha (do inglês Failure Tree Analysis)
NPR Número de Prioridade de Risco
PEC: Capacitores de eletrônica de potência (do inglês Power Electronic Capacitor)
PPAP Processo de aprovação da peça de produção (do inglês production part approval
process)
PPM Peças por milhão
PWM Modulação por largura de pulso (do inglês Pulse Width Modulation)
P&D Pesquisa e Desenvolvimento
QFD Desdobramento da função qualidade ( do inglês Quality Function Deployment)
RMS Valor quadrático médio (do inglês root mean square)
UPS Fonte de energia contínua (do inglês Uninterruptible Power Supply)
APÊNDICE I – FMEA DE PRODUTO
APÊNDICE II – MATRIZ DA QUALIDADE DO QFD
APÊNDICE III – MATRIZ DO PRODUTO DO QFD
APÊNDICE IV – PLANILHA DE CÁLCULO DA TEMPERATURA INTERNA DO
CAPACITOR APÓS SER ATINGIDA ESTABILIDADE
Capacitância Nominal: 0,23 mF
Tensão Nominal AC: 330 V
Tensão Nominal DC: 0 V
Total 1 2 3 4 5 6
Corrente Nominal (A): 20 50,00
Frequência (Hz): 166 166
ensão de Ripple AC (Vrms) - 101
Capacitor dimensions: (mm)
Diâmetro (mm): 85
Altura (mm): 128
Vol (cm^3) = 726
Dimensões da bobina: (mm)
Diâmetro da Bob. (mm): 72,64
Altura da Bobina (mm): 111,6
Comp filme / bob.(m): 300
Número de bobinas 2
Filme:Largura (mm): 110
Espessura (um): 6
Borda Livre (mm): 1,5
Setor: 1-100 101-200 201-300 301-400 401-500 501-600 601-700 701-800 801-900 901-1000
Filme 1 - R (ohms) 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5
Filme 2 - R (ohms) 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5 7,5
Resistividade do Cobre
(ohmsxmm^2/mm): 0,0000196
Temperatura (ºC): 55 0,36
Fios / Cabos: 0,04
Fio Curto (mm): 20 2,13
Fio Comprido (mm): 140 2,53
Fio Delta (mm): 230 1,01
Seção (mm^2): 0,8 3,54Perdas ômicas nos fios (W): 2,13
0,0002 8,8490,020 11,450,040
Resistência da camada de zinco (ohms)
Perdas ôhmicas na schoopagem / bobina (W):
Perdas ôhmicas na schoopagem / capacitor (W):
∆∆∆∆T (ºC):ESR (mohms):
Perdas Eletrodos (Pe):Perdas na Schoopagem (Ps):Perdas nos cabos (Pc):
Perdas Ôhmicas (PΩ):
Perdas Dielétricas (PD):
PERDAS TOTAIS (W):
Perdas Ôhmicas nos Eletrodos
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0 200 400 600 800 1000 1200
Largura da bobina
Potência D
issipada (uW)
Pdis1/sector
Pdis2/sector
Pdis/sector
ANEXO 1 – Planilha de FMEA de Produto
FMEA de Produto
Produto: Responsabilidade do Projeto:
Número do FMEA: ____________
Departamento: Página _____ de _____
Preparado Por: ________________
Equipe: Data para Atualização: Data do FMEA: Orig.: _______
Rev.: _______
Controles Atuais Resultados das Ações
Função Modo de Falha Potencial
Efeito(s) Potencial S e v
C l a s
Causa(s) Potencial O c o r
Prevenção Detecção
D e t
N P R
Ações Recomendadas Responsável e Cronograma
Ações tomadas e
Data
S e v
O c o r
D e t
N P R
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