Desenvolvimento de sistema de secagem automático
para esfregonas – Fapil
Diogo Lopes Viana Nunes
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Mecânica
Orientadores: Prof. Marco Alexandre de Oliveira Leite
Prof. Paulo Miguel Nogueira Peças
Júri
Presidente: Prof. Luís Filipe Galrão dos Reis
Orientador: Prof. Marco Alexandre de Oliveira Leite
Vogais: Profª. Elsa Maria Pires Henriques
Prof. António Manuel Relógio Ribeiro
Dezembro 2017
i
Agradecimentos
Ao Professor Marco Leite e Paulo Peças, pela excelente orientação, pelos seus ensinamentos, pelo
apoio, pela dedicação, pela disponibilidade demonstrada e pela boa disposição.
À Professora Inês Ribeiro, pelos seus ensinamentos valiosíssimos nos custos de produção, por todo
apoio e disponibilidade.
Ao Professor Matos Almas, pelo esclarecimento de dúvidas sobre o sistema de engrenagens do
mecanismo de secagem da esfregona e pelos conselhos dados, referenciando o KISSsoft.
À empresa Fapil, nomeadamente ao Dr. Fernando Teixeira, ao Eng. Pedro Teixeira e ao Dr. Adriano
Teixeira pela disponibilidade e pelo apoio prestado ao longo da realização do presente trabalho, pelo
esclarecimento de dúvidas e pelo fornecimento de dados e produtos.
À empresa Blocks, nomeadamente ao Alexandre Guerreiro, ao Duarte Vasconcelos, ao Tiago Rocha
e ao Nuno Parra pela disponibilidade, pelo apoio prestado na prototipagem, pelo esclarecimento de
dúvidas, pelas sugestões e por toda a simpatia.
Aos meus pais, à minha irmã, à Adélia e à restante família, por todo o apoio dado durante todo o curso
e durante a realização de todo o trabalho.
Aos “Vendas” por todo o suporte, trabalho e amizade partilhada ao longo de todo o curso.
Ao Daniel Cardoso pela amizade e pela ajuda na tradução.
ii
Resumo
O desenvolvimento de novos produtos é, há longa data, uma das principais preocupações das
empresas industriais, pois é um dos pilares essencial para a presença no mercado e,
consequentemente, para o sucesso da empresa. Com efeito, não é exagerado afirmar que hoje em dia
quem não se preocupa em estudar o mercado e lançar novos produtos está condenado ao insucesso.
A Fapil – Indústria, S.A, está na vanguarda da inovação na sua área de atividade para o que
muito concorre a parceria que detém com o IST – Instituto Superior Técnico. É no âmbito desta parceira
que surge o presente estudo, cujo objeto é a esfregona rotativa, mais especificamente a inovação no
mecanismo de secagem.
Nesta tese é dissecado ao detalhe todo o processo de desenvolvimento do produto, desde a
fase inicial – ideia – até à fase final – produto tangível e comercializável, sempre em colaboração
estreita com as diferentes partes envolvidas.
Assim, foram identificadas as especificações do produto, trabalhado o seu conceito e definida
a sua geometria, funcionamento, tendo em conta o processo de fabrico e a montagem. Recorreu-se à
prototipagem analítica e física, o que permitiu detetar falhas no desenvolvimento do produto, poupando
custos e tempo nas inevitáveis correções que se seguiriam.
Por último, é feita a análise de sensibilidade tendo em vista avaliar a viabilidade económica do
novo produto.
Palavras-chave: Desenvolvimento de novos produtos, Fapil, Esfregona rotativa, Inovação, Conceito,
Prototipagem.
iii
Abstract
The development of new products has long been one of the main concerns of industrial
companies, as it is one of the essential pillars for the presence in the market and, consequently, of their
success as a company. Indeed, it is no exaggeration to say that nowadays those who neglect to study
the market and launch new products are doomed to failure.
Fapil - Indústria, S.A, is at the forefront of innovation in its field, for which the partnership with
IST - Instituto Superior Técnico is of great value.
It is within the scope of this partnership that the present study arises, whose subject is the rotary mop,
more specifically, the innovation in its drying mechanism.
In this thesis, we dissect in detail the entire product development process, from the initial phase
- idea - to the final stage - tangible and marketable product, always in close collaboration with all parties
involved.
Thus, the product specifications have been identified, its concept has been perfected, its
geometry and operation defined, taking into consideration the manufacturing and assembly process.
Analytical and physical prototyping allowed early detection of product development failures, saving
costs and time in the inevitable corrections that would follow.
Lastly, the sensitivity analysis was performed in order to assess the economic viability of the
new product.
Keywords: New product development, Fapil, Spin mop, Innovation, Concept, Prototyping.
iv
Índice
Agradecimentos ....................................................................................................................................... i
Resumo ................................................................................................................................................... ii
Abstract ...................................................................................................................................................iii
Lista de tabelas ...................................................................................................................................... vi
Lista de figuras .......................................................................................................................................vii
Lista de Abreviações .............................................................................................................................. ix
I. Introdução ....................................................................................................................................... 1
1. Motivação do problema ............................................................................................................... 1
2. Objetivos do problema ................................................................................................................ 1
3. Estado da arte ............................................................................................................................. 2
4. Estruturação do documento ........................................................................................................ 3
5. Principais aportes ........................................................................................................................ 3
II. Estado de arte do desenvolvimento de produto ............................................................................. 5
1. Desenvolvimento de Produto ...................................................................................................... 5
1.1 Perspetiva histórica do desenvolvimento de produto ......................................................... 5
1.2 Áreas de conhecimento atuantes no desenvolvimento de produto .................................... 6
1.3 Ciclo de vida do produto ..................................................................................................... 7
1.4 Integração dos fornecedores no desenvolvimento de produto ........................................... 8
1.5 Processo de desenvolvimento de produto .......................................................................... 9
1.6 Desenvolvimento do conceito ........................................................................................... 10
1.7 Prototipagem no desenvolvimento de produto ................................................................. 13
2. Metodologias e ferramentas de apoio ao desenvolvimento de produto ................................... 15
2.1 Engenharia Concorrente/Simultânea (ECS) ..................................................................... 16
2.2 Design For X (DFX) ........................................................................................................... 17
2.3 Design For Manufacture and Assembly (DFMA) .............................................................. 17
2.4 Ferramentas computacionais (CAD/CAE/CAM) ............................................................... 18
III. Conceção do produto em colaboração com a Fapil ................................................................. 21
1. Descrição do produto e enquadramento com a Fapil ............................................................... 21
2. Metodologia da realização da tese ........................................................................................... 23
3. Levantamento de Requisitos e Desenvolvimento de Conceitos ............................................... 26
v
3.1 Identificação e interpretação de necessidades ....................................................................... 26
3.2 Definição das especificações do produto ............................................................................... 29
3.3 Geração e seleção de conceitos ............................................................................................. 33
4. Implementação do conceito ...................................................................................................... 44
4.1 Desenho da geometria do produto ......................................................................................... 44
4.2 Testes e prototipagem ............................................................................................................. 58
5. Custos de produção .................................................................................................................. 65
5.1 Custo do processo de injeção ................................................................................................. 65
5.2 Custo da montagem do conjunto ............................................................................................ 68
5.3 Custos de produção do produto .............................................................................................. 69
5.4 Análise de sensibilidade .................................................................................................... 69
6. Análise Global ........................................................................................................................... 72
IV Conclusões ....................................................................................................................................... 79
V Referências Bibliográficas ................................................................................................................. 81
VI – Anexos ........................................................................................................................................... 83
Anexo 1 – Guião seguido nas entrevistas para a recolha de necessidades .................................... 83
Anexo 2 – Tempos de atuação dos conjuntos esfregona rotativa testados no subcapítulo III – 3.2 83
Anexo 3 – Relatórios gerados das simulações realizadas no KISSsoft ........................................... 83
Anexo 4 – Patente – Mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para a secagem de esfregona
por centrifugação e o seu método de funcionamento ....................................................................... 88
vi
Lista de tabelas
Tabela 1 - Listagem das observações dos cliente referente às esfregonas e ..................................... 27
Tabela 2 - Listagem das necessidades da esfregona com os respetivos graus de importância. ........ 29
Tabela 3 - Listagem das métricas referentes às necessidades............................................................ 29
Tabela 4 - Matriz das necessidades vs métricas. ................................................................................. 31
Tabela 5 - Tabela comparativa de métricas de esfregonas rotativas existentes no mercado. ............ 32
Tabela 6 - Matriz de Seleção. ............................................................................................................... 36
Tabela 7 - Especificações do sistema de engrenagens do NMSEC, calculadas pelas equações acima
descritas. ............................................................................................................................................... 53
Tabela 8 - Especificações das engrenagens do NMSEC geradas pelo KISSsoft. ............................... 54
Tabela 9 - lista das peças do novo conjunto esfregona rotativa com as respetivas características. ... 57
Tabela 10 - Tabela com as especificações dos moldes para as diferentes peças. ............................. 66
Tabela 11 - Máquinas de injeção usadas na produção do conjunto esfregona rotativa ...................... 67
Tabela 12 - Valores dos fatores de custo do processo de injeção. ...................................................... 68
Tabela 13 - Custos de produção por produto para um volume de produção anual de 200 000 produtos,
.............................................................................................................................................................. 69
Tabela 14 - Custos de produção do produto para vários volumes de produção anuais, ..................... 70
Tabela 15 - Moldes da segunda e terceira alternativas, a alterar na primeira alternativa. ................... 71
Tabela 16 - Custos de produção por produto para cada alternativa, variando com ............................ 71
Tabela 17 - Características do molde, o custo acrescentado no produto e o custo total do produto com
a peça carreto cilíndrico 2º nível e veio dentado roscado, para um volume de produção anual de 200
000 produtos. ........................................................................................................................................ 72
Tabela 18 - Tempo de atuação dos conjuntos esfregona rotativa testados no subcapítulo III - 3.2. ... 83
vii
Lista de figuras
Figura 1 - Esfregona rotativa e respetivo balde. ................................................................................... 21
Figura 2 - Mecanismos de espremer esfregonas. ................................................................................ 22
Figura 3 - Metodologia geral. ................................................................................................................ 24
Figura 4 - Conjuntos de esfregonas rotativas testados. ....................................................................... 31
Figura 5 - Esquematização do problema de secar os filamentos da esfregona. .................................. 34
Figura 6 - Diversas formas de aplicar movimento no cabo da esfregona. ........................................... 34
Figura 7 - 1: Engenho primitivo de furar ou fazer fogo; 2 e 3: Engrenagem com cremalheira como
atuante; ................................................................................................................................................. 35
Figura 8 - Cabeças de parafusos. ......................................................................................................... 37
Figura 9 - Encaixe com forma de meia esfera. ..................................................................................... 37
Figura 10 - Veio dentado simples e respetivo cesto. ............................................................................ 38
Figura 11- Formas de base de esfregonas. .......................................................................................... 38
Figura 12- Árvore de classificação das especificações para uma rotação livre no cabo. .................... 39
Figura 13 - 1, 2, 3 e 4: Termómetro com bluetooth; 5: Termómetro e sensor de sujidade com wireless;
6 , 7 e 8: Sensor de sujidade; 9: Sensor wireless do nível de água; 10 e 11: Sensor do nível de água;
12, 13 e 14: Termómetro, sensor de sujidade e do nível de água com wireless e App. ...................... 40
Figura 14 - Formas de baldes de esfregonas e pegas. ........................................................................ 41
Figura 15 - Esfregona rotativa e respetivo balde. ................................................................................. 42
Figura 16 - Esboço do conceito gerado para o mecanismo de rotação da esfregona. ........................ 43
Figura 17 - Novo conjunto esfregona rotativa e vista explodida. .......................................................... 44
Figura 18 - Dois diferentes ângulos da vista explodida do NMSEC. .................................................... 45
Figura 19 - Tipos de engrenagens que compõem o NMSEC. .............................................................. 47
Figura 20 - Sistema roquete. ................................................................................................................ 48
Figura 21 - Esquema das engrenagens do NMSEC. ........................................................................... 52
Figura 22 - Cremalheira e pinhão, engrenagem cónica e engrenagem cilíndrica geradas no KISSsoft.
.............................................................................................................................................................. 54
Figura 23 - Peça base do NMSEC, sem alterações à sua produção. .................................................. 55
Figura 24 - Peça base do NMSEC com as peças suporte deste, a cremalheira, ................................ 56
Figura 25 - Modelo 3D do conjunto esfregona rotativa. ........................................................................ 58
Figura 26 - NMSEC impresso em 3D à escala de ½. ........................................................................... 59
Figura 27 - Peça balde impressa em 3D à escala real. ........................................................................ 60
Figura 28 - Novo conjunto esfregona rotativa impresso em 3D à escala real, onde na imagem superior
esquerda é focado o NMSEC e na imagem superior direita está também representado o NMSEC
impresso em 3D à escala ½.................................................................................................................. 61
Figura 29 - Protótipos da peça suporte da peça carreto cilíndrico do 2º nível e integral com o veio
dentado simples, ordenados por ordem cronológica, da esquerda para a direita, começando pelo
correspondente ao protótipo do produto completo. .............................................................................. 62
Figura 30 - Protótipos da peça carreto cilíndrico do 2º nível e integral com o veio dentado, e respetivo
encaixe pertencente ao cesto, por ordem cronológica, da esquerda para a direita. ............................ 63
viii
Figura 31 - Protótipo impresso em 3D da peça tampa suporte do NMSEC, com o acrescento .......... 64
Figura 32 - Variação do custo de produção do produto em função do volume de produção. .............. 70
Figura 33 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft da engrenagem da cremalheira e pinhão. ... 84
Figura 34 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft da engrenagem cónica. ................................ 85
Figura 35 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft do 1º nível da engrenagem cilíndrica. .......... 86
Figura 36 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft do 2º nível da engrenagem cilíndrica. .......... 87
Figura 37 - Figura principal da patente. ................................................................................................ 88
Figura 38 - Figura 1 da patente. ........................................................................................................... 94
Figura 39 - Figura 2 da patente. ........................................................................................................... 94
Figura 40 - Figura 3 da patente. ........................................................................................................... 95
Figura 41 - Figura 4 da patente. ........................................................................................................... 95
Figura 42 - Figura 5 da patente. ........................................................................................................... 96
Figura 43 - Figura 6 da patente. ........................................................................................................... 96
Figura 44 - Figura 7 da patente. ........................................................................................................... 97
Figura 45 - Figura 8 da patente. ........................................................................................................... 97
ix
Lista de Abreviações
CAD – (Computer Aided Design) Desenho assistido por computador
CAE – (Computer Aided Engineering) Engenharia assistida por computador
CAM – (Computer Aided Manufacturing) Fabrico assistido por computador
DFMA – (Design for Manufacturing and Assembly) Desenho para o fabrico e montagem
DFX – Design for X
EC – Engenharia Concorrente
ES – Engenharia Simultânea
ECS – Engenharia Concorrente/Simultânea
NMSEC – Novo mecanismo de secagem da esfregona por centrifugação
PA – Poliamida
PLA – (Polylactic Acid) Ácido Polilático
POM – Polioximetileno
PP - Polipropileno
1
I. Introdução
1. Motivação do problema
Para o contínuo desenvolvimento das sociedades contribui decisivamente o aparecimento de
novas soluções para os novos e os antigos problemas. De entre essas soluções, sobressai a invenção
e desenvolvimento de novos produtos, alguns dos quais acabam por revolucionar o nosso modo de
vida. Proliferam os exemplos: a lâmpada incandescente de Thomas Edison (1847-1931), o fogão de
Benjamin Franklin (1705-1790) ou a máquina de lavar roupa de Alva Fisher (1862-1947).
Também a esfregona, que tem como finalidade a limpeza e remoção de líquidos, sujidade e
poeiras, não foi sempre como hoje a conhecemos. A primeira esfregona foi criada no séc. XV com o
objetivo de facilitar a limpeza dos pavimentos, que até aí se fazia manualmente com recurso a simples
panos. Desde então, tem-se assistido ao desenvolvimento do produto esfregona, sendo a presente
tese mais um contributo nesse caminho.
A Fapil – Indústria, S.A., empresa que impulsionou o presente estudo, integra o sector da
indústria transformadora, produzindo e comercializando produtos de utilidade doméstica que auxiliam
na higiene e limpeza da casa, tratamento da roupa e arrumação do lar. Está na senda dos percussores
da inovação, a que se fez alusão no início desta introdução, pois tem incutida uma cultura de busca
permanente de novos produtos, métodos de fabrico e até de gestão, pressupostos sem os quais
considera não ser possível manter-se na vanguarda da inovação e, por via disso, continuar a garantir
uma posição de destaque no mercado em que se insere.
Com efeito, sendo este altamente concorrencial devido, principalmente, às empresas
sedeadas em países emergentes, que apresentam custos de produção baixos, sobretudo pelos
reduzidos custos da mão-de-obra, para continuar a ser bem-sucedida a Fapil tem permanentemente a
preocupação em atingir a máxima eficiência, oferecendo aos clientes os produtos certos, em termos
de características e qualidade, no momento oportuno e a um preço competitivo. Para alcançar tal
desiderato, a empresa procura implementar as metodologias mais adequadas de desenvolvimento,
aplicando a engenharia na geração de produtos inovadores e de maior valor acrescentado, tornando-
os, mais competitivos.
2. Objetivos do problema
O presente trabalho enquadra-se na permanente preocupação da Fapil em apresentar novas
soluções e novos produtos no mercado onde se insere. Neste caso particular, iremos apresentar uma
esfregona rotativa que constitui a inovação mais recente no âmbito das esfregonas. Os últimos
desenvolvimentos têm incidido sobre os filamentos das esfregonas, melhorando as capacidades de
absorção, e no mecanismo de secagem, caracterizado por incorporar um cesto rotativo que seca os
filamentos por centrifugação. É sobre esta última inovação – mecanismo de secagem – que trata o
2
presente estudo. Sendo este um desafio industrial, o foco será no melhoramento da facilidade de
secagem, redução do custo de produção e de montagem.
3. Estado da arte
O desenvolvimento de produtos tem evoluído ao longo dos tempos.
No final do séc. XIX o foco centrava-se no estudo e aplicação de métodos e técnicas
especializadas, sendo decisiva a colaboração e articulação entre várias áreas profissionais, visando a
produção em massa.
A melhoria da produtividade, a redução dos custos de pessoal e a evolução tecnológica da
fabricação, por um lado, aliados ao crescimento dos mercados, por outro, fizeram deslocar a
preocupação da indústria para a qualidade dos produtos.
Com a contínua evolução tecnológica, a conceção do produto passa a ser a prioridade,
aumentando a atenção na funcionalidade e na estrutura do produto, estimulando o aumento da
participação da engenharia na sua conceção.
O cliente e seus comportamentos foi a prioridade seguinte. O seu estudo permite identificar as
oportunidades de mercado e as características dos produtos mais relevantes para o cliente, tornando-
se o fator principal da competitividade entre as empresas.
Mais recentemente, é a globalização dos mercados que dita as suas leis. Assiste-se à
transferência da produção para países como a Índia ou a China, cujos custos de mão-de-obra são
muito inferiores. Noutra vertente, o aumento da procura por maior diversidade de produtos, em
intervalos de tempo cada vez mais reduzidos, levou as empresas a criarem novas metodologias, de
que a engenharia concorrente/simultânea é exemplo paradigmático. Caracteriza-se pela realização
simultânea do design do produto e do design dos processos, que geralmente envolve a formação de
equipas multifuncionais, permitindo que engenheiros e especialistas de diferentes áreas trabalhem em
conjunto e ao mesmo tempo no desenvolvimento de design de novos produtos e processos.
No estado da arte tem assumido papel relevante a prototipagem. Trata-se de um método de
uso crescente, ao permitir atingir uma proximidade real do produto final, sendo possível testar as suas
funcionalidades de forma muito mais assertiva. Os protótipos são concebidos com o propósito de
aprender, comunicar, integrar e planear objetivos para o produto. Por outro lado, reduzem o risco de
custos elevados e tempo excessivo no desenvolvimento do produto. Permitem à equipa detetar falhas
que de outro modo seriam impercetíveis até se aplicar a um processo de desenvolvimento dispendioso,
de que são exemplo os moldes de injeção plástica.
As metodologias usadas neste trabalho têm como objetivo permitir que o projetista crie um
produto que satisfaça as necessidades relevantes do mercado e, concomitantemente, permita ter uma
clara perceção dos processos de fabrico de modo a evitar custos de fabricação acrescidos.
3
4. Estruturação do documento
No capítulo II - Estado de arte do desenvolvimento de produto - começa-se por fazer uma
perspetiva histórica do desenvolvimento do produto. Os principais conceitos e parâmetros inerentes a
qualquer desenvolvimento de produto são apresentados neste capítulo, sendo que a presente tese
trata adicionalmente do desenvolvimento de conceito, no âmbito do qual é inserida a prototipagem para
validar o produto. Neste capítulo são também abordadas metodologias e ferramentas de apoio ao
desenvolvimento de produtos.
No capítulo III é descrito o produto e efetuado o levantamento de necessidades e
especificações, bem como a inerente geração e seleção de conceitos. Noutro passo, é implementado
o conceito, onde se trata o desenho da geometria do produto, testes e prototipagem que validem o
conceito. Ainda neste capítulo, são estimados os custos de produção, decompostos pelos custos do
processo de injeção e da montagem do conjunto, realizando-se, no final, a imprescindível análise de
sensibilidade. Por último, é apresentada a análise global da conceção do produto.
5. Principais aportes
Eis os principais aportes para o presente trabalho, sem os quais não seria possível atingir os
objetivos a que nos propusemos.
a) A interação entre a indústria e a universidade foi crucial neste estudo. A integração inteligente
e metódica de várias áreas da Fapil, tais como, a engenharia, o marketing, a comunicação,
enquadra o correto desenvolvimento de produto e correspondente análise de custos.
b) Técnicas de Design for Manufacturing and Assembly no auxílio do desenho do produto de
modo a que este seja produzido a custos inferiores e num menor espaço de tempo.
c) Prototipagem, contribuindo decisivamente para o desenvolvimento do produto, sendo que
muitos autores aconselham o uso da prototipagem rápida para uma célere aprendizagem.
d) A produção dos protótipos não teria sido possível sem a inestimável colaboração da Blocks.
e) A submissão da patente revelou-se ser um contributo importante para acrescentar valor ao
produto. Com efeito, ao patentear-se o produto ficou reconhecida a sua novidade, atividade
inventiva e aplicação industrial, requisitos sine qua non para o registo da invenção.
4
5
II. Estado de arte do desenvolvimento de produto
Antes de se dar a conhecer o produto a desenvolver, considera-se relevante expor o estado
da arte do Desenvolvimento de Produtos em geral. Para o efeito, é descrito, de uma forma genérica, o
estado de desenvolvimento de um produto e são explicadas as metodologias e técnicas utilizadas no
desenvolvimento do mesmo.
1. Desenvolvimento de Produto
As necessidades do mercado constituem a principal fonte de ignição para o aparecimento e
desenvolvimento de novos produtos. Daí que as empresas tenham que estar permanentemente
atentas às mutações do mercado e dos consumidores de forma a implementarem internamente um
conjunto de atividades que lhes permitam criar e/ou desenvolver novos produtos [1], transformando as
necessidades do mercado em soluções técnicas e comercias.
O desenvolvimento de novos produtos é uma grande vantagem competitiva entre empresas.
O aumento da competitividade, o avanço tecnológico, as mudanças no mercado e os ciclos de vida
dos produtos, obrigam as empresas a desenvolverem frequentemente novos produtos [2]. Para que
esses tenham sucesso no mercado, é exigido às empresas que tenham rápida atuação e elevada
produtividade e qualidade, de modo a conseguirem desenvolver produtos com qualidade, no momento
certo e a um preço competitivo.
Os temas seguidamente abordados começam com uma referência à evolução histórica do
desenvolvimento de produto, seguida das áreas de conhecimento nele intervenientes. Posteriormente,
falar-se-á do ciclo de vida do produto, assim como da importância da integração dos fornecedores, que
antecede o processo de desenvolvimento de produto.
1.1 Perspetiva histórica do desenvolvimento de produto
No final do século XIX, começou a evidenciar-se um maior interesse pelo estudo e aplicação
de métodos e técnicas especializadas no desenvolvimento de produtos. Este interesse foi
impulsionado pela indústria até atingir uma importância determinante no final do século XX. No início,
o trabalho de desenvolvimento era centrado num trabalho individualizado na área de conhecimento
específico do novo produto. Esta foi reorganizada mais tarde para uma colaboração e articulação entre
várias áreas profissionais [3].
Desde o princípio da Revolução Industrial que as preocupações da indústria começaram a
inserir-se nos processos de fabricação e de organização da produção, a fim de responder à grande
procura, consequência do aumento repentino de população. Com a melhoria da produtividade, dos
meios produtivos, a redução dos custos de produção, a evolução da tecnologia de fabricação e o
crescimento dos mercados, as preocupações da indústria transferiram o seu enfoque para a qualidade
dos produtos. Seguidamente, com a contínua evolução tecnológica, a conceção do produto passa a
6
prioridade, aumentando as atenções na funcionalidade e estruturalidade, o que estimulou o
crescimento da participação da engenharia na conceção do produto. Mais tarde, a elaboração de
estudos comportamentais do cliente torna-se no fator principal na medida em que permitem identificar
e analisar as oportunidades de mercado e, por via disso, especificar as características do produto. O
aumento da competitividade entre as empresas, passa a estar centrado na satisfação das
necessidades do cliente e, consequentemente, transforma-se no fator principal no desenvolvimento do
produto [3][4].
Na década de 80 do século passado, o aparecimento da globalização dos mercados gerou um
aumento da procura por mais diversidade de produtos, em intervalos de tempo menores levando as
empresas a criarem novas metodologias, intensificando também o trabalho colaborativo no
desenvolvimento de produto. A engenharia concorrente foi uma das novas metodologias. O
desenvolvimento da microinformática deu origem a diversas tecnologias de base computacional que
viriam a ficar sempre relacionadas com o desenvolvimento de produto. No final do século XX, a gestão
de portfólios de produtos tornou-se a preocupação principal das empresas, onde a inovação dos
produtos já está incorporado ao planeamento estratégico das mesmas [3].
No século XXI, o aumento da globalização dos mercados e o desenvolvimento exponencial da
tecnologia levou ao melhoramento das comunicações a nível global e da indústria dos transportes.
Uma vez que as maiores preocupações do consumidor residem no tipo e preço do produto, as marcas
transferiram o seu local de produção para países com mão-de-obra mais barata, como a China e a
Índia. Até à última década, a China em particular, aumentou a mão-de-obra qualificada, garantindo
assim maior qualidade e especificações exigidas para o produto. Isto levou a que, em 2012, possuísse,
aproximadamente, 50% das exportações globais [5].
1.2 Áreas de conhecimento atuantes no desenvolvimento de produto
O desenvolvimento de produto é uma atividade interdisciplinar que requer a participação e
coordenação entre quase todos os departamentos de uma empresa. No entanto, há que dar relevância
aos três mais importantes, a saber:
• Marketing: Este departamento é responsável por fazer a ponte entre a empresa e o cliente.
Assim, tem a responsabilidade de detetar as oportunidades de mercado, definir os segmentos
de mercado e identificar as necessidades do cliente. Com base nestas informações, deve
também criar um preço alvo para o produto, acompanhar o lançamento e a promoção do
mesmo, garantindo assim o sucesso da comercialização [1].
• Conceção: A função deste departamento é garantir que o aspeto e as especificações do
produto correspondem às necessidades do cliente. Aqui se inclui a conceção de engenharia
(mecânica, elétrica, software, etc), onde é prioridade a funcionalidade e estruturalidade do
produto, e a conceção industrial (estética, ergonomia, ligação física e/ou lógica com o
utilizador) [1][3].
7
• Produção: Departamento que define, opera e/ou coordena a cadeia de produção capaz de
produzir o produto. Também é responsável pela compra da matéria-prima, distribuição e
instalação do produto [1].
Para produtos mais complexos, muitas vezes as empresas recorrem a serviços externos. Isto
porque podem ser necessários mais recursos que os existentes na empresa, ou que a empresa
consiga suportar. Colaboradores estes que podem ser consultoras, universidades e organizações
governamentais e sem fins lucrativos, entre outros [1].
1.3 Ciclo de vida do produto
O ciclo de vida de um produto é normalmente composto por cinco fases que podem ser
definidas de uma forma semelhante, tanto para o projetista como para o consumidor. [6][7].
A primeira fase é a imaginação, quando só existem ainda ideias na cabeça dos indivíduos. No
entanto, estas devem ser geridas de modo a não se perder informação ou ficarem mal percebidas. Na
fase da definição, as ideias são convertidas para uma descrição do produto mais detalhada. Nesta
fase, é necessário garantir que as especificações do produto satisfazem as necessidades do cliente.
No fim da fase da concretização, o produto já apresenta a sua forma final, podendo assim ser usado
por um consumidor. Esse processo de uso do produto pertence à fase do uso/suporte. Fase de uso
aos olhos do consumidor, mas fase de suporte para o projetista, que garante uma correta manutenção
do produto junto do cliente, tendo em conta o número de série do produto, a sua data de fabrico,
anteriores melhoramentos, mudanças no mercado e evolução técnica [6].
A quinta e última fase é a eliminação, caracterizada pelo desuso do produto que leva a
empresa a terminar a sua comercialização. Consequentemente, deve haver uma preocupação
ambiental adicional para que, por exemplo, componentes tóxicos ou envenenados não se aproximem
de fontes de água potável. Uma escolha mais consciente dos materiais do produto na fase de definição
ou a reutilização de peças, diminui riscos como o mencionado [6].
Já num ponto de vista de marketing, as cinco fases são definidas de diferente maneira. Assim,
têm-se as fases de desenvolvimento do produto, introdução no mercado, crescimento no mercado,
maturação no mercado e, finalmente, de declínio do volume de vendas que conduz à saída do
mercado. A identidade, preço e a estratégia de vendas devem ser analisadas e definidas conforme a
fase do ciclo de vida em que o produto se encontra [6].
Nos dias de hoje, com o aumento da procura por parte do consumidor, as empresas sentem a
crescente necessidade de lançar uma maior diversidade de produtos para o mercado, em intervalos
de tempo cada vez menores. Assim, o ciclo de vida do produto deve ser gerido por um departamento
próprio cuja função é interligar e supervisionar todos os outros. Este departamento tem como objetivo
aumentar as receitas do produto, reduzir o tempo de entrada no mercado, melhorar a qualidade do
mesmo, reduzir os seus custos e maximizar o valor do portfólio de produtos, presentes e futuros, quer
para os clientes como para os acionistas da empresa [6][7].
8
1.4 Integração dos fornecedores no desenvolvimento de produto
À medida que o ecossistema empresarial se torna mais competitivo e de rápidas mudanças,
as empresas, recorrendo a uma variedade de acordos comerciais e económicos, procuraram cada vez
mais fontes externas de inovação que ajudaram a garantir a sua competitividade. Tais acordos são de
importância prática porque poucas empresas, particularmente nas indústrias de manufatura, possuem
o leque de valências e de recursos necessários ao desenvolvimento de todas as partes que compõem
os seus produtos finais [8].
Entre os potenciais parceiros externos, os fornecedores são reconhecidos como uma
importante fonte de inovação. Numa ampla gama de indústrias de manufatura, as empresas que
trabalham em colaboração com seus fornecedores melhoraram a produtividade de várias formas e
conseguem uma variedade alargada de vantagens competitivas, incluindo a redução do tempo de
desenvolvimento de novos produtos, melhoria da qualidade e o serviço do produto, acesso a novos
mercados e tecnologias, e redução de custos [8-11].
Para que tal aconteça, é necessário tomar algumas precauções no que diz respeito ao tipo de
interação com os fornecedores. De acordo com a literatura, os fornecedores devem ser integrados na
equipa do projeto desde o início do seu desenvolvimento, ao invés de o fazer apenas numa fase mais
avançada. Por este motivo, é aconselhável começar por realizar uma avaliação aprimorada de
possíveis fornecedores. Os selecionados têm de garantir que as suas capacidades e recursos irão
beneficiar a eficácia e qualidade da equipa de desenvolvimento do produto, tal como terem uma cultura
compatível à da empresa contratante. Assim, é também importante construir conexões humanas
dentro da relação empresa contratante-fornecedor. Nestes casos, é comum que a interação seja
inicialmente entre os engenheiros responsáveis pelas partes técnicas [11].
O timing da envolvência dos fornecedores no projeto está relacionado com o nível de
responsabilidade no mesmo. Por um lado, fornecedores que entrem no início do projeto assumem uma
ampla responsabilidade de garantir que o componente/sistema projetado funcione corretamente no
produto global. Por outro lado, os fornecedores que assumem menos responsabilidades, preocupam-
se mais com questões de negócio relacionadas com reduções de custos de matéria-prima e/ou custos
de produção [11].
Os fornecedores envolvidos na fase de definição dos objetivos técnicos proporcionam à
empresa uma avaliação mais realista da viabilidade técnica do produto, chegando assim a expectativas
e metas mais fiáveis. Consequentemente, esperam-se resultados de design de maior qualidade e
menor custo, facilidade de fabricação e melhor posicionamento entre o componente fornecedor e a
arquitetura geral do produto [11].
9
1.5 Processo de desenvolvimento de produto
O processo de desenvolvimento de produto é uma sequência de etapas ou atividades que a
empresa desenvolve para conceber, desenhar e comercializar o produto. Estes passos nem sempre
são físicos, sendo também muitas vezes atividades intelectuais e organizacionais. No meio
empresarial, existem diversas empresas que se regem por um processo de desenvolvimento de
produto detalhado, no entanto os passos desse processo nem sempre são os mesmos para todas as
empresas, dependendo do tipo de projeto [1].
Todas devem definir os processos do desenvolvimento de produto de modo a garantir
qualidade no produto, coordenação entre departamentos, planeamento de todas as fases, gestão do
projeto durante todo o processo e documentação do mesmo, de forma a possíveis futuros
melhoramentos. De qualquer forma, um processo comum de desenvolvimento de produto começa com
o planeamento do projeto, passa pela conceção do produto e termina com o lançamento do produto
para o mercado. Segundo Ulrich & Eppinger [1], o desenvolvimento de produto pode ser dividido em
seis fases:
0. Planeamento: fase onde se avaliam as oportunidades de mercado, definem-se mercados-
alvo, consideram-se novas tecnologias, estrutura-se o produto, avaliam-se possibilidades de
produção, analisam-se cadeias de distribuição, definem-se objetivos para o planeamento e
delimitam-se os recursos necessários, assim como se determina a sua gestão.
1. Desenvolvimento do Conceito: nesta fase começa-se por identificar as necessidades do
cliente, determinar os produtos concorrentes e investigar se poderá existir algum impedimento
relacionado com patentes. Segue-se para o desenvolvimento de desenhos do produto e
respetivos protótipos, de maneira a testar a sua viabilidade.
2. Arquitetura do Sistema: partimos agora para o plano de desenvolvimento da área de
possibilidades do produto, definindo a sua arquitetura, subsistemas e interfaces, aprimorando
o seu design e começando por delinear os componentes de engenharia. Posteriormente é
necessário encontrar fornecedores, analisar a aceitação do produto e definir a montagem final
do mesmo.
3. Design: é nesta etapa que se define o plano de Marketing e, simultaneamente, se completa o
processo de configuração do produto, definindo a sua forma final, escolhendo os materiais e
estabelecendo as tolerâncias. De seguida, define-se o método de produção das peças e
ferramentas, assegurando a fiabilidade dos mesmos.
4. Controlo e Aperfeiçoamento: começa por se efetuar uma sucessão de testes a nível da
performance e durabilidade do produto, avaliar o impacto ambiental do mesmo e implementar
as alterações finais necessárias, de maneira a obter aprovação regulamentar. A nível de
manufatura, torna-se indispensável refinar o fabrico e montagem do objeto, formar os
trabalhadores e assegurar a garantia de qualidade. É também neste momento que se
desenvolve o plano de comercialização do produto.
5. Produção: numa fase final é vantajoso posicionar o produto junto do seu consumidor principal,
avaliar os resultados da fabricação preliminar e, por fim, dar início à cadeia de produção.
10
1.6 Desenvolvimento do conceito
De todas as fases do processo de desenvolvimento de produto, o desenvolvimento do conceito
é aquela que requer mais coordenação entre diferentes áreas. Este processo é normalmente gerido
de uma forma sequencial, isto é, cada fase ou tarefa tem de estar terminada antes de se avançar para
a próxima. No entanto, não significa que não se repitam fases anteriores, pois com nova informação
recolhida ou depois de resultados analisados e testes realizados, pode ser necessário retificar
conceitos e especificações do produto [1].
Durante quase todo o processo de desenvolvimento do conceito são requeridas noções
económicas e de mercado, de forma a não se afastar da missão do produto. Desta forma, será possível
estabelecer um equilíbrio entre os custos do desenvolvimento e de produção, com o desempenho e as
especificações técnicas do produto, satisfazendo as necessidades do cliente. Também será constante
a realização de diversas modelagens e prototipagens, que auxiliariam as decisões das fases do
conceito [1].
Nos próximos subcapítulos são apresentadas cronologicamente e explanadas cada uma das
fases do desenvolvimento do conceito.
Identificar e interpretar as necessidades do cliente
A identificação das necessidades do cliente é a base para se estabelecer as especificações
do produto e para gerar e selecionar os conceitos para o mesmo. Este processo poder ser dividido em
quatro passos.
Primeiramente, é necessário recolher informação do cliente sobre o produto, a qual pode ser
obtida por entrevistas individuais, entrevistas em grupo ou pela observação do produto em uso. Muitas
vezes, os recursos das empresas são insuficientes para aplicar todos os métodos de recolha de
informação, no entanto há diferentes vantagens em cada método, pois o comportamento das pessoas
difere de ambientes em grupo ou individualmente, facultando mais ou menos informação. E muitas
vezes a discussão de informações sobre produto gera novas ideias, problemas ou necessidades. É
importante também a presença física do produto para que o utilizador possa expressar as suas
necessidades e para que a explicação das mesmas seja mais clara, sendo relevante as reações de
surpresa por parte dos utilizadores e as expressões corporais dos mesmos. Para uma boa interação
com o cliente é vantajoso ter um guião de perguntas objetivas que conduzam o utilizador à informação
requerida, mas é necessário segui-lo à risca de modo a tornar o utilizador o interveniente principal. O
cliente a entrevistar ou a observar deve corresponder a um utilizador líder, de modo a minimizar
informação desnecessária, pois são estes que sentem as necessidades do produto meses ou anos
antes que a maioria do mercado, esperam beneficiar substancialmente das inovações do produto e
estão habituados a usar o produto, podendo assim ter já propostas de solução para as necessidades
[1].
11
Seguidamente, a interpretação da informação recolhida é um dos mais importantes passos
para garantir uma boa identificação das necessidades dos utilizadores. Para facilitar esta tarefa,
existem 5 ideias a ter em consideração:
Usar termos frásicos positivos e não negativos;
Clarificar a necessidade em termos do que o produto tem que fazer e não em como
devia fazê-lo;
Evitar usar termos como “tem de” ou “devia”;
Definir a necessidade com um atributo do produto;
Caracterizar a necessidade com toda a informação respetiva, recolhida do cliente [1].
Neste contexto é normal que se venham a conhecer novas necessidades referidas pelos
utilizadores, pelo que é preciso saber como organizar essas necessidades para uma melhor
determinação do que é fundamental. Para isso é aconselhável dividir as frases do segundo passo da
obtenção de necessidades numa tabela hierárquica, com necessidades primárias e secundárias. As
necessidades latentes, ou seja as que se descobriram sem que nenhum utilizador as tenha
mencionado, também devem ser assinaladas como tal, pois são um fator surpresa para o utilizador [1].
Por fim, como muitas vezes não é possível concretizar todas as necessidades por motivos de
custo ou recursos requeridos, é necessário estabelecer importâncias relativas às necessidades. O grau
de importância pode ser definido por questionário aos utilizadores ou mesmo pela equipa encarregue
de criar ou inovar o produto [1].
Definir objetivos para especificações
Com as necessidades dos clientes bem claras, define-se as especificações dos atributos a
serem implementados no produto com valores concretos e unidades. As necessidades devem ser
definidas por métricas, podendo mesmo cada uma delas ser caracterizada por mais que uma métrica.
Para concluir quais as especificações prioritárias, deve-se construir uma matriz com as necessidades,
especificações e graus de importância das necessidades, devidamente numeradas [1].
É também importante realizar uma análise do mercado, com o objetivo de recolher as
especificações dos produtos concorrentes. Assim, é possível inovar primeiro e garantir maior
satisfação da parte do cliente, concluindo quais as especificações que o mercado mais valoriza. Na
recolha das especificações é aconselhável a execução de testes e observações dos produtos
concorrentes em uso, pois não é incomum haver desatualização das especificações destes nos
catálogos disponíveis [1].
Com base nas métricas dos produtos concorrentes, criam-se objetivos com valores ideais para
o produto a desenvolver. No entanto, como normalmente é impossível verificar no produto todos os
valores exatos, criam-se por cima dos valores ideais margens aceitáveis para esses valores, definindo,
assim, os limites de métricas para as especificações requeridas [1].
12
Gerar Conceitos
Para uma mais eficiente criação de conceito é importante começar por clarificar o problema,
de modo a percebê-lo, e decompô-lo em subproblemas, caso seja necessário. Em seguida, deve ser
realizada uma pesquisa de soluções, quer externamente, utilizadores líder e restantes utilizadores
relevantes, quer internamente. Finalizando com uma organização sistemática, criando árvores de
classificação e tabelas de combinação para organizar ideias e sintetizar soluções soltas, até alcançar
uma solução final para o conceito [1].
Selecionar Conceitos
É nesta fase que são analisados todos os conceitos anteriormente gerados, determinados os
que mais se aproximam das especificações requeridas para o produto, comparadas as vantagens e
desvantagens de cada conceito, juntados e melhorados conceitos, e escolhidas as melhores soluções
para trabalhos futuros. A criação de uma matriz de seleção pode ser um apoio para uma classificação
de conceitos mais assertiva e precisa [1].
Testar Conceitos
São testados um ou mais conceitos, de modo a verificar se as necessidades do cliente são
satisfeitas, se o produto tem potencial no mercado alvo e identificar possíveis problemas que poderão
surgir durante o desenvolvimento do produto. Caso o produto não seja aceite pelo cliente, o projeto
deve terminar, não dando continuidade ao produto, ou, caso contrário, retrocede-se a fases anteriores
para corrigir as insuficiências [1].
Definir especificações finais
Depois de ser escolhido o melhor conceito para o produto, são definidas as suas
especificações finais, comparando como as especificações ideais anteriormente determinadas. De
modo a obter uma avaliação precisa das especificações, é necessário saber quais os constrangimentos
tecnológicos atuais e os custos de produção espectáveis, usando modelos analíticos e físicos. A
prototipagem é um método bastante usado, pois permite atingir uma proximidade real do produto final,
sendo possível testar a sua funcionalidade com mais assertividade. Os custos de produção englobam
uma lista dos materiais usados, assim como uma perspetiva de custos associados às ferramentas que
produzem o produto [1].
Tendo as especificações avaliadas e parametrizadas corretamente, comparam-se com as
especificações ideais anteriormente definidas e refinam-se as mesmas até ficarem determinadas as
especificações finais. O refinamento passa muito pelo equilíbrio entre custos, desempenho de produto
e os aspetos de maior valor para o cliente. Para facilitar este processo comparativo podem ser usadas
ferramentas como a lista de métricas, a matriz necessidades-métricas e gráficos e mapas de análise
comparativa de produtos competidores. Como nesta fase é importante uma boa perceção do mercado
e de custos associados ao produto, é também relevante que haja na equipa uma interação de membros
das diferentes áreas [1].
13
Planear o projeto
Nesta última fase do desenvolvimento do conceito, a equipa cria uma calendarização, define
uma estratégia que resulte numa diminuição do tempo do mesmo e identifica os recursos necessários
para a concretização do produto. As tarefas calendarizadas são relacionadas entre elas por
dependências, sendo organizadas sequencialmente, paralelamente ou acopladas entre si. A
diminuição do tempo para completar o projeto está relacionada com o maior trajeto de tarefas
dependentes [1].
É também nesta fase que se organizam os resultados de maior importância, de modo a
documentar toda a informação relevante para a equipa de gestão do projeto. Este documento contém
informações como a missão do produto, as necessidades do cliente, uma detalhada seleção dos
conceitos, as especificações finais do produto, a análise económica do produto envolvendo os seus
riscos, a calendarização para o desenvolvimento do produto, os recursos necessários e a estimativa
dos custos associados [1].
1.7 Prototipagem no desenvolvimento de produto
Neste capítulo é explicada a importância da criação de protótipos, no desenvolvimento de
produto, e são apresentados vários princípios para o desenvolvimento de protótipos. É ainda
apresentado um método para planear protótipos.
Antes de mais importa perceber como se define um protótipo, o que pode variar em função da
área de desenvolvimento. Por exemplo, um designer industrial produz protótipos para os seus
conceitos, um engenheiro faz protótipos para os seus desenhos e um software development escreve
programas protótipos. Não obstante, de uma forma geral um protótipo é sempre uma aproximação do
produto numa ou mais áreas de interesse. São disso exemplo os desenhos conceptuais, os modelos
matemáticos, as simulações e testes a componentes, e as versões protótipo pré-produção,
completamente funcionais [1].
Os protótipos são normalmente classificados em duas vertentes. Na primeira, a prototipagem
é definida como física ou analítica, onde a física corresponde à criação de artefactos tangíveis,
possíveis de testar e experimentar. Estes são muitas vezes usados para validar a funcionalidade do
produto. A prototipagem analítica corresponde ao desenvolvimento de protótipos não tangíveis,
normalmente em formato matemático ou visual, com o principal propósito de os analisar [1].
Na segunda vertente, a prototipagem é definida como abrangente ou focada. Os protótipos
abrangentes implementam a maioria ou mesmo todos os atributos do produto final, como é exemplo a
versão protótipo pré-produção, que é entregue a clientes para testes tendo em vista detetar falhas no
produto completo. No caso de os protótipos serem totalmente abrangentes, estes costumam ser
físicos. Os protótipos focados centralizam-se num ou poucos atributos do produto. Geralmente são
produzidos dois ou mais protótipos focados, com o intuito de analisar vários aspetos do produto como,
por exemplo, a aparência do produto ou a experiência do utilizador, sem despender recursos a
conceber um protótipo completo [1].
14
Os protótipos são concebidos com o propósito de aprender, comunicar, integrar e planear
objetivos para o produto. No processo de aprendizagem, são usados diferentes tipos de protótipos de
modo a perceber se o produto vai funcionar ou até que ponto vai satisfazer as necessidades do cliente.
No decorrer do desenvolvimento de produto, os protótipos facilitam a explicação e visualização das
suas características às várias áreas envolventes no projeto, auxiliando a discussão de ideias a
desenvolver e corrigir, e incentivando assim a integração das equipas do produto. Os protótipos
também podem ter a finalidade de definir e controlar etapas do desenvolvimento de produto. Estas
podem definir a continuação do projeto em função das atividades que estiverem dependentes. Por
exemplo, sem o sucesso do funcionamento total do protótipo, este não avança para produção [1].
Para o correto planeamento de um protótipo é essencial definir os seus objetivos, caracterizar
a sua tipologia e estabelecer o seu nível de aproximação ao produto final. Facilitando assim a escolha
dos parâmetros relevantes a implementar e a previsão de alguns dos resultados que daí advêm. De
modo a planear o processo de prototipagem, são definidas datas para a montagem de cada protótipo,
para os seus primeiros testes, para completar os testes e para a análise dos resultados finais [1].
Quando se define o tipo, objetivo ou planeamento de um protótipo, é importante conhecer
alguns dos princípios para a prototipagem. Protótipos analíticos, por exemplo, são mais flexíveis que
os físicos, pois são aproximações matemáticas do produto, sendo estas compostas por parâmetros
que podem variar. Esta variação possibilita, assim, o teste de várias alternativas exequíveis, mesmo
quando estas implicam a modificação completa do protótipo, o que seria mais demorado e dispendioso
aplicado a protótipos físicos [1].
Já os protótipos físicos são requeridos para detetar fenómenos inesperados. Alguns incidentes
nas propriedades dos protótipos físicos não influenciam o produto final e, por isso, são ignorados
durantes os testes. No entanto, os incidentes que têm influência confirmam a necessidade de ser
necessário a construção de pelo menos um protótipo físico no desenvolvimento de produto [1].
Os protótipos podem também reduzir o risco de elevados custos e tempos no desenvolvimento
de produto. Despendendo tempo para conceber e testar um protótipo, pode permitir à equipa do projeto
detetar falhas que, caso contrário, não seriam detetadas até se aplicar a um processo de
desenvolvimento dispendioso. Como é exemplo o fabrico de molde de injeção plástica [1].
Segundo Ulrich e Eppinger, sem se recorrer à prototipagem, a taxa de sucesso do produto é
de 70%. Caso contrário, seria 95%, pois após a prototipagem os primeiros erros de desenvolvimento
são evitados. Isto é especialmente importante para produtos que têm elevados riscos ou incertezas,
por envolverem elevados custos resultantes de falhas, novas tecnologias ou por se alterar a natureza
dos produtos [1].
Frequentemente, a criação de protótipos simples e rápidos em paralelo com o desenvolvimento
de produto, facilitam e reduzem tempos de outros processos. A criação de moldes é um exemplo, em
que a presença de um protótipo físico ajuda o projetista a visualizar e desenhar os moldes [1].
Relativamente às tecnologias no desenvolvimento de protótipos, as mais usadas são a
modelação e análise 3D CAD e a fabricação free-form. Desde os anos 90 do século passado, os
desenhos dos modelos são feitos em computador por modelação 3D CAD. Nestas são feitos desenhos
e extrudidas espessuras, criando assim modelos sólidos. Este tipo de programas facilitam a
15
visualização do modelo pensado em três dimensões, a criação de renders, adicionar propriedades
físicas ao produto, como a massa e volume por atribuição de materiais, eficiência da descrição do
produto em termos de vistas seccionadas e desenhos técnicos para a fabricação do produto. Esta
tecnologia veio também substituir alguns protótipos físicos, muitas vezes dispendiosos, pela
possibilidade de simular o produto montado com todas as peças, assim como detetar interferências na
montagem e no funcionamento do produto, a partir de simulações cinemáticas e dinâmicas e análise
estrutural das peças com cargas e condições exteriores ao produto [1].
A tecnologia de fabricação free-form, tem como base a criação de objetos físicos diretamente
dos modelos 3D CAD e pode ser visto como impressão tridimensional. Esta é denominada de
prototipagem rápida e tem como funcionalidade a construção de peças, depositando material camada
a camada ou usando um laser para solidificar seletivamente o líquido ou pó, que irá compor o protótipo.
Normalmente as peças resultantes são de plástico, mas atualmente já é possível imprimir em vários
materiais, como metais, cerâmicos ou papel. Quando bem usados, estes protótipos podem reduzir
significativamente o tempo de desenvolvimento do produto e melhorar a sua qualidade. Servem
também para produzir protótipos num menor espaço temporal e de forma não dispendiosa, melhorando
a compreensão e comunicação do produto com todas as equipas envolvidas no desenvolvimento de
produto, incluindo potenciais consumidores [1].
2. Metodologias e ferramentas de apoio ao desenvolvimento de produto
Nos dias de hoje, as necessidades de redução do tempo, manutenção da qualidade e do custo
competitivo, são os principais desafios sentidos no desenvolvimento do produto. Para os enfrentar,
surgiu o aparecimento de novas metodologias e ferramentas computacionais. Metodologias como a
Engenharia Concorrente/Simultânea, organizam as empresas de forma a interligar e coordenar o
trabalho realizado em cada área do desenvolvimento de produto. Já metodologias como o Design for
Manufacturing and Assembly, auxiliam o desenho do produto quanto ao processo de fabrico. Com a
evolução da informática surgiram ferramentas computacionais, como o CAD, CAE e CAM, que
proporcionaram uma aproximação de protótipos ao produto final, sem envolver custos elevados de
vários processos de prototipagem física, e facilitaram a comunicação e partilha de ideias entre as várias
áreas do projeto, agilizando assim o processo de desenvolvimento de produto.
Nos capítulos seguintes serão explicadas estas metodologias e ferramentas de apoio ao
desenvolvimento de produto.
16
2.1 Engenharia Concorrente/Simultânea (ECS)
Nos anos 70 e 80 do século passado, muitas empresas investiram na automação da produção
e na computação integrada na produção (Computer Integrated Manufacturing). Nessa altura, a
preocupação dos projetistas nas fases iniciais do desenvolvimento de produto era maioritariamente a
funcionalidade e o desempenho do produto, deixando as considerações de produção para as fases
mais adiantadas [12]. Além disto, cada departamento da empresa continuava com a preocupação de
reduzir os seus próprios custos, sem se relacionar obrigatoriamente com os outros departamentos [13].
Apesar dos investimentos tecnológicos feitos na indústria, não houve as esperadas melhorias
nos rendimentos das empresas. Assim, em 1986, o departamento de Defesa Americano deu origem e
trabalhou o conceito da Engenharia Concorrente (EC) com a criação do Computer-Aided Acquisition
and Logistics Support. Este representava a união entre o departamento de defesa e várias empresas
pertencentes à indústria de armas dos USA, proporcionando uma integração de todos os subsistemas
no produto final, durante a fase de desenvolvimento. A filosofia da engenharia simultânea (ES), definida
pela simultaneidade de processos, surgiu na indústria europeia como resposta à vantagem das
empresas Japonesas no lançamento de novos produtos. Contudo, a diferença entre a EC e a ES é
insignificante, razão pela qual, neste trabalho, estas filosofias estarão sob o termo de Engenharia
Concorrente/Simultânea (ECS) [13].
A ECS visa a realização simultânea do design do produto e do design do processo, que
geralmente envolve a formação de equipas multifuncionais. Esta abordagem organizacional permite
que engenheiros e gestores de diferentes áreas trabalhem em conjunto e, simultaneamente, no
desenvolvimento do design de produtos e processos. ECS é também considerada uma estratégia de
negócio, que substitui o processo tradicional de desenvolvimento de produtos para que as tarefas
sejam realizadas em paralelo. Todas as definições de ECS, no entanto, têm os mesmos objetivos.
Estes são a redução do tempo total do ciclo de vida do produto, do tempo de entrega e do custo, com
um objetivo secundário de aumentar a qualidade do produto. Além disso, a globalização e a crescente
complexidade do produto exigem que haja uma atenção mais séria à ECS como uma abordagem útil
[12][13].
A engenharia de custos, por exemplo, é crucial como componente básica da ECS. Muitas
empresas que procuram soluções de produção mais económicas, primeiro determinam o lucro total e
só depois é feito o planeamento e agendamento adequado do projeto. O agendamento é uma atividade
bastante complexa devido à panóplia de variáveis que devem ser consideradas. Para um planeamento
preciso, é também exigido a determinação de uma enorme quantidade de detalhes com antecedência.
No entanto, o principal desafio é que a ECS deve sempre considerar as mudanças na engenharia do
projeto, como a alteração das especificações, a evolução da complexidade e os mecanismos de
trabalho em equipa. Considerações estas necessárias para uma boa implementação da ECS, onde o
sistema de produção da empresa precisa de ser mais flexível para produzir uma variedade de produtos.
Este requisito pode levar, por exemplo, à substituição de máquinas-ferramentas especializadas para
umas universais [5][12][13].
17
A engenharia colaborativa é uma abordagem de negócios sistemática desenvolvida a partir da
ECS e é projetada para a utilização colaborativa de recursos e informações entre grupos
multidisciplinares, ou mesmo múltiplas empresas em todo o mundo, em tempo real [12][13].
2.2 Design For X (DFX)
Como já abordado anteriormente, para se ter uma produção competitiva é necessário ter uma
compreensão clara das necessidades do cliente, tendo em conta as alterações do mercado, de modo
a conseguir-se projetar um produto que satisfaça essas mesmas necessidades. Para isso é preciso
perceber que materiais e processos resultarão num produto com elevada qualidade e de rápida e
económica produção. É também requerido que este produto seja projetado e produzido de modo a que
seja seguro, útil, funcional e fácil de inspecionar e de efetuar a sua manutenção, ao longo do seu ciclo
de vida. O conjunto destas considerações podemos definir como Design For X. Identifica-se,
seguidamente, as suas principais atividades, as quais exigem grande interação e troca de impressões
em todas as fases: [5]
1. Necessidades e funções do utilizador e do mercado;
2. Conceitos e escolha dos princípios do desenho do produto;
3. Identificação de materiais e processos;
4. Análise do projeto e respetivos processos e modificações a fazer no projeto;
5. Requisitos de qualidade;
6. Análise dos métodos de montagem e desmontagem;
7. Modelos e desenhos de engenharia detalhados;
8. Análise económica e estimativa de custo de produção;
9. Desenvolvimento de um protótipo;
10. Teste de engenharia e redesenho;
11. Viabilidade de projeto;
12. Produção;
13. Controle de produção e distribuição [5].
2.3 Design For Manufacture and Assembly (DFMA)
Tradicionalmente, prevê-se que um projetista tenha a capacidade de criar o produto com uma
clara perceção dos processos de fabrico, de modo a evitar custos de produção acrescidos. No entanto,
esta simplicidade nem sempre é possível por várias razões como, por exemplo, projetos demasiado
complexos que exigem uma elevada quantidade de recursos, tempos reduzidos para o lançamento de
produtos no mercado, falta de cooperação entre os projetistas e os responsáveis pela produção e
processos de fabrico mais sofisticados [14].
De modo a contrariar estes problemas, o Design For Manufacture and Assembly (DFMA), veio
reforçar a integração dos técnicos de produção com a equipa do projeto, onde a EC já está
implementada, desde o início do ciclo do projeto. Pela regra dos 80/20, equipas gastam 80% do seu
18
tempo em 20% dos problemas relativos à produção e desenho do produto. O DFMA ajuda a equipa a
perceber quais são esses 20% com assertividade [14].
DFMA pode ser definido por um procedimento sistemático com o objetivo de, analisando as
ideias do projeto, apresentar às empresas todos os processos de produção, assim como reduzir ao
máximo o número de peças a montar. Tem início no desenho do conceito, seguido do desenho da
montagem. Após tentativas para a simplificação da estrutura do produto e retificadas no desenho do
conceito, segue-se a seleção dos materiais e dos processos de produção, assim como estimativas
iniciais dos custos do produto. Esta seleção pode também alterar o desenho do conceito, com a
finalidade de reduzir custos nos materiais e/ou nos processos de produção. Depois de feitas todas as
correções necessárias, chega-se ao melhor conceito do produto. Decisão tomada, avança-se para a
análise do desenho mais detalhado da produção, visando a redução dos custos de fabrico. Finalmente,
é possível dar início à prototipagem e, posteriormente, à produção do produto [14].
Resumidamente, o DFMA é a integração do Design For Assembly com a implementação inicial
do Design For Manufacture [14].
2.4 Ferramentas computacionais (CAD/CAE/CAM)
O mundo empresarial já percebeu que o desenho interativo de um produto é a ferramenta mais
eficiente para a análise do desenvolvimento do produto e dos respetivos processos de produção. Deste
modo, o uso da internet e dos programas CAD/CAE/CAM proporcionam a criação de uma base de
dados visual, design industrial geométrico e, consequentemente, uma economia nos custos e na
duração do projeto. Estes programas têm a capacidade de criar modelos virtuais em 3D, manipulando-
os para diferentes vistas, levando a melhoramentos das suas características técnicas, assim como nas
não técnicas [15].
O CAD é a única ferramenta independente, criando os modelos virtuais. Já o CAE e o CAM
precisam do ficheiro CAD para funcionar devidamente. Estas ferramentas são uma mais-valia para que
qualquer designer, engenheiro ou operário de maquinaria de produção desempenhe a sua função
diária com mais facilidade e de um modo mais eficiente. No entanto, é de notar que a utilização da
maioria destes programas requer licenças. Estas podem ser bastante dispendiosas, chegando mesmo
a vários milhares de euros [15].
Seguidamente, as ferramentas computacionais acima referidas são explanadas em detalhe.
2.4.1 Desenho assistido por Computador (CAD)
O programa CAD é uma tecnologia computacional que desenha o produto e documenta esse
mesmo processo. Através de vetores, formas e geometrias, é possível produzir, modificar e otimizar
desenhos em 2D e 3D. Estes podem ser manipulados para qualquer ângulo de visão, mesmo numa
perspetiva de dentro para fora [16].
O CAD é usado em diferentes aplicações como a indústria automóvel, construção naval,
indústrias aeroespaciais, arquitetura, próteses, entre outras. Deste modo, é uma das muitas
19
ferramentas utilizadas por engenheiros e designers, proporcionando-lhes um aumento da
produtividade, melhoramento da qualidade do desenho e facilitando o processo de produção, através
da partilha de informação detalhada sobre os materiais, processos, tolerâncias e dimensões de
produto. Assim, o CAD permite às empresas explorar ideias modeladas antes da implementação de
prototipagem física [16].
O CAD é uma parte de toda a atividade de desenvolvimento de produto digital nos processos
PLM (Product Lifecycle Management) e, como tal, os programas de CAD são usados em conjunto com
outras ferramentas como a CAE, CAM, renderização realista de fotos e a gestão de documentos, e
controlar a sua revisão usando o gerenciamento de dados do produto [16].
2.4.2 Engenharia Assistida por Computador (CAE)
As ferramentas do CAE são usadas para, por exemplo, analisar a robustez e o comportamento
das peças e assemblagens. O termo engloba simulação, validação e otimização dos produtos e das
ferramentas de produção. Na engenharia em geral, as tarefas do CAE começam no pré-
processamento, onde é definido o modelo e as condições de fronteira a aplicar, segue-se a análise
dos dados pelo Solver e termina no pós-processamento dos resultados [16].
Os softwares CAE são também conhecidos na engenharia por incluírem análise de elementos
finitos, dinâmica de fluídos computacional, dinâmica de sistemas e otimização. São sistemas
individualmente considerados como nós singulares inseridos numa rede completa de informações, e
cada nó pode interagir com outro nó na rede. Esses nós têm um papel fundamental no método dos
elementos finitos, onde utilizam a geometria do modelo existente para construir uma rede nodal no seu
todo. Só assim é possível determinar o comportamento real do modelo, dependendo dos parâmetros
inseridos. A maioria destes parâmetros são utilizados na simulação e estão relacionados com o
envolvimento exterior e com as interações com o modelo durante a operação, como por exemplo,
temperatura, pressão, contacto entre componentes e forças aplicadas [16].
20
21
III. Conceção do produto em colaboração com a Fapil
1. Descrição do produto e enquadramento com a Fapil
A Fapil - Indústria, S.A., é uma empresa especializada na produção industrial e distribuição de
plásticos e produtos de limpeza domésticos. Com elevada capacidade produtiva, as suas unidades
fabris estão ao nível das mais modernas da Europa, estando presente em todas as cadeias de
distribuição. Inserida num mercado altamente concorrencial, tendo nos países emergentes a sua
principal ameaça decorrente dos baixos custos de produção, especialmente dos custos de mão-de-
obra, a Fapil aposta na inovação, na eficiência dos processos de fabrico e na qualidade dos produtos
para manter a sua competitividade e fidelizar os clientes.
O atual objetivo da Fapil é aumentar a faturação no mercado internacional, com os seus
produtos e com a fabricação de produtos de marca própria para distribuidores, nunca deixando de
investir na produção e na inovação.
Uma vez que considera a inovação como fator-chave para o sucesso, a Fapil procura
desenvolver projetos com universidades. É neste contexto que se insere este trabalho.
O produto a desenvolver é uma esfregona rotativa. Tendo as esfregonas como finalidade
limpar e remover líquidos, sujidade e poeiras, de superfícies, a esfregona rotativa constitui a inovação
mais recente neste tipo de produto, cujos principais desenvolvimentos foram nos filamentos da
esfregona, com um aumento significativo da capacidade de absorção, e no mecanismo de secagem,
por centrifugação com o cesto rotativo. Em relação às esfregonas convencionais apresenta várias
vantagens, destacando-se a maior facilidade e rapidez na secagem dos filamentos da esfregona, com
o consequente aumento da produtividade dos utilizadores.
Os componentes relevantes de uma esfregona rotativa são identificados na figura 1.
Figura 1 - Esfregona rotativa e respetivo balde.
Pega
Cabo Travamento do mecanismo
de rotação no cabo
Base
Filamentos
da esfregona
Encaixe da esfregona
com o cesto Cesto
Proteção contra
salpicos
Balde
Pega
Rodas
Mecanismo
de pé
22
Para um melhor entendimento da importância destas novas tecnologias e poder continuar a
melhorá-las, é necessário perceber a evolução das esfregonas.
No final do século XV foi criada a esfregona com o objetivo de facilitar a limpeza dos
pavimentos, pois até esta época os pavimentos eram limpos manualmente com panos. Com a
introdução do cabo, o utilizador passou a ser capaz de fazer a limpeza de pé e, ainda, alcançar espaços
de difícil acesso e maior alcance. Desde então foi melhorado o material dos filamentos das esfregonas,
passando por lãs, tecidos, esponjas e tecidos de microfibras, com o objetivo de melhorar a absorção.
Nos anos 90 do século XX, foi inventado um novo mecanismo para espremer a esfregona,
porque até então a esfregona era espremida manualmente. O mecanismo desenvolvido consistia na
compressão e torção dos filamentos apenas com o manuseamento do cabo, de que são exemplo as
esfregonas 1 e 2 da figura 2. Esta inovação revelou-se de grande utilidade na medida em que permitiu
que o utilizador se distanciasse do contacto direto com os químicos dos produtos de limpeza e com a
sujidade a limpar, assim como dos objetos cortantes que estejam nos filamentos. Em suma, aumentou
decisivamente a higiene e segurança dos utilizadores, bem como a sua produtividade.
Mais tarde foi introduzido o espremedor no balde, como mostrado na imagem 3 da figura 2,
sendo esta inovação revolucionária no mundo dos produtos domésticos, tornando-se no conjunto
esfregona e balde que ainda permanece nos dias de hoje.
As inovações posteriores incidiram particularmente na criação de mecanismos que
otimizassem o processo de secagem da esfregona, facilitando a sua utilização, de que são exemplos
os conjuntos de balde e esfregona das restantes imagens da figura 2.
Atualmente, o mecanismo de secagem das esfregonas mais eficaz e eficiente é por
centrifugação, como nas esfregonas rotativas. Isto porque implica menos força aplicada e possibilita
maior rapidez para espremer a esfregona, assim como o aumento significativo da secagem dos
filamentos, quando comparado com os outros mecanismos.
1 2 3 4 5
Figura 2 - Mecanismos de espremer esfregonas.
23
Contudo, estes mecanismos ainda têm um custo elevado para o mercado, de modo que os
desenvolvimentos ainda por fazer passam pela minimização de custos de produção e/ou processos de
montagem. Sendo objetivo da Fapil comercializar o produto fabricado internamente nas suas
instalações com um preço competitivo para o mercado, há um forte investimento no desenvolvimento
de uma esfregona rotativa, com um mecanismo de secagem que implique menores custos de mão-de-
obra, associados a mais fáceis processos de montagem.
2. Metodologia da realização da tese
O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de produto, mais especificamente,
de uma esfregona rotativa que seja produzida e montada internamente na Fapil. O foco será no
melhoramento da facilidade de secagem, redução do custo de produção e de montagem. Para melhor
compreensão do processo deste trabalho será apresentada a metodologia geral utilizada, assim como
a participação dos parceiros e as ferramentas para a sua realização.
Tendo em conta as várias fases do processo de desenvolvimento de produto, apresentadas
no subcapítulo I-1.5, este trabalho insere-se no desenvolvimento de conceito. Como este produto foi
desenvolvido em parceria com a Fapil, a fase anterior ao desenvolvimento de conceito, onde é
realizada a análise das oportunidades de mercado e o planeamento deste projeto, foi efetuada
previamente pela própria empresa. É também por este motivo que neste estudo foram utilizados os
princípios da ECS, aplicando o paralelismo de tarefas e a integração das pessoas envolventes no
projeto, de forma a facilitar a comunicação e a troca de informação.
Na figura 3 é representada a metodologia geral deste trabalho, sendo esta uma adaptação do
processo genérico de Eppinger, onde primeiramente é abordada a descrição do produto (subcapítulo
III-1). Neste subcapítulo foi realizado trabalho de investigação sobre as esfregonas em geral,
percebendo a sua evolução até chegar às esfregonas rotativas. Em maior detalhe foram analisadas as
esfregonas rotativas, de forma a identificar os principais componentes da mesma, assim como
perceber o seu objetivo e funcionalidade. Sendo a Fapil uma das maiores fontes de informação para
este projeto, é também realizado neste subcapítulo um enquadramento à empresa.
No subcapítulo III-3 são realizados o levantamento de requisitos e o desenvolvimento de
conceitos, aplicando a metodologia de desenvolvimento de conceitos. Para o levantamento de
requisitos, foram entrevistados e observados os utilizadores líder do produto, onde vários
colaboradores da Fapil estão englobados, de forma a identificar e interpretar as necessidades do
cliente. Estas são organizadas por grau de importância e transformadas para métricas, definindo assim
especificações do produto. São ainda apresentadas as especificações dos produtos concorrentes,
juntamente com os valores ideais propostos para a esfregona rotativa a desenvolver.
No desenvolvimento de conceitos foram pesquisados e descritos vários conceitos, com o
objetivo de satisfazer as especificações do produto. De seguida, foram selecionados os melhores
conceitos para cada especificação e, por fim, foi definido o conceito final do produto a desenvolver nos
restantes capítulos, discutindo os seus resultados com a Fapil.
24
Figura 3 - Metodologia geral.
Utilizadores
líder
Fapil
Fapil
Fapil
Blocks
Fapil
Fapil
Fapil
→Custos do processo de injeção
→Custos da montagem do produto
→Custos totais
→Análises de sensibilidade
→Definição dos componentes e do
funcionamento do produto
→Estudo e desenvolvimento das
engrenagens plásticas do NMSEC
→Alterações da geometria para
produção por moldes de injeção
plástica
→Descrição e produção dos protótipos
→Análise dos resultados dos protótipos
→Análise das especificações ideais
predefinidas
→Geração de conceitos
→Seleção de conceitos
→Definição do conceito Final
→Identificação e interpretação de
necessidades
→Definição das especificações do
produto
→Avaliação de conjuntos esfregona
rotativa concorrentes e definição das
especificações ideais
→Evolução das esfregonas
→Identificação dos componentes
principais da esfregona rotativa
→Objetivo e funcionalidade
SolidWorks (CAD)
Cura (CAM)
SolidWorks (CAD)
KISSsoft (CAE)
Métodos de
Desenvolvimento
de Conceito
Trabalho de Investigação
Trabalho de Investigação
Métodos de
Desenvolvimento
de Conceito
Trabalho de Investigação
Descrição do
produto
Levantamento de
requesitos
Desenvolvimento
de Conceitos
Desenho da
Geometria do
Produto
Testes e
Prototipagem
Custos de
Produção
25
A fase do desenho da geometria do produto inicia o capítulo de Implementação do conceito
(subcapítulo III-4), onde são explanados a constituição e o funcionamento do novo conjunto esfregona
rotativa, mais especificamente do novo mecanismo de secagem da esfregona por centrifugação
(NMSEC). Para o efeito, foi necessário realizar o estudo e desenvolvimento de todo o sistema de
engrenagens que o compõe, tendo em conta os seus materiais. Sendo o plástico o material das
engrenagens, a simples utilização de equações específicas para engrenagens metálicas não podem
ser usadas para plásticos. Assim, para o dimensionamento do sistema de engrenagens foi utilizada a
ferramenta computacional CAE. Aplicando a metodologia do Design for Manufacturing and Assembly
e discutindo as formas finais das peças com a Fapil, foram ainda modificadas algumas dessas, de
forma a serem todas possíveis de produzir pelo processo de moldes de injeção plástica. Para o
desenho de todas as peças e para aplicar alterações como as acima mencionadas ou como as
aplicadas aos protótipos, foi usada a ferramenta computacional CAD.
No subcapítulo III-4 são apresentados, explicados e analisados todos os protótipos realizados
para o desenvolvimento do novo conjunto esfregona rotativa, começando pelos analíticos e terminando
nos físicos. No fim deste subcapítulo, são ainda avaliadas as especificações finais do produto,
seguindo-se a respetiva análise. Sendo os protótipos físicos impressos em 3D, foi necessário um
investimento da Fapil para produzir o maior e mais abrangente protótipo. Este foi produzido pela
Blocks, empresa esta que forneceu suporte em todas as impressões dos protótipos. Para que as peças
sejam impressas é preciso codificar os dados do CAD do protótipo físico para uma linguagem que a
impressora 3D os consiga interpretar. Para isso foi aplicada a ferramenta computacional CAM.
Por último, são calculados os custos de produção do produto, onde são apurados os custos
associados ao processo de injeção, os custos da montagem do produto, os custos totais e, ainda,
realizadas análises de sensibilidade, tendo em consideração o volume de produção e os custos dos
moldes. Uma vez que a produção do produto será levada a cabo pela própria Fapil, todos os dados
utilizados na análise de custos foram disponibilizados pela mesma.
Como já referido na descrição da metodologia geral, foram usadas várias ferramentas
computacionais, como software CAD, CAE e CAM. Apresentam-se, de seguida, os softwares utilizados
neste trabalho, com o resumo da sua aplicação:
- SolidWorks (CAD) – na implementação do conceito de forma a desenhar todos os componentes
do novo conjunto esfregona rotativa, concebidos no desenvolvimento do conceito, e a desenhar
os novos protótipos, alterando as peças anteriormente desenhadas.
- KISSsoft (CAE) – na implementação do conceito para analisar e definir os parâmetros das
engrenagens plásticas do novo mecanismo de secagem da esfregona por centrifugação. Também
possibilitou o desenho das engrenagens de forma automática, podendo ser exportados os modelos
3D resultantes para o SolidWorks.
- Cura (CAM) – na implementação do conceito para programar a impressora 3D a imprimir os
modelos do novo conjunto esfregona rotativa.
26
3. Levantamento de Requisitos e Desenvolvimento de Conceitos
Neste capítulo são apresentadas e interpretadas as necessidades do cliente para a esfregona
rotativa. Estas são organizadas por grau de importância e, em seguida, são definidas as respetivas
especificações por métricas. Posteriormente, são apresentadas as especificações do produtos
concorrentes, juntamente com os valores ideais propostos para a esfregona rotativa a desenvolver.
São também apresentados e descritos os vários conceitos gerados, com o objetivo de satisfazer as
especificações do produto. Por fim, são selecionados os conceitos a serem desenvolvidos nos
restantes capítulos.
3.1 Identificação e interpretação de necessidades
A esfregona tem como funcionalidade a limpeza de superfícies e sendo este utensílio
destinado a qualquer tipo de utilizador, são definidos os utilizadores líder, aqueles que usam a
esfregona com mais frequência.
No presente estudo, este conjunto de utilizadores líder são profissionais de limpeza,
empregadas domésticas e o cidadão no geral que use a esfregona mais que duas vezes por semana,
dando especial atenção a pessoas com mobilidade/comodidades reduzida, como idosos. Como
profissionais de limpeza foram consideradas as seguintes entidades:
✓ Fornecedores de produtos de limpeza da Fapil;
✓ Funcionários da limpeza das instalações da Fapil. Têm a mais-valia de estarem acostumados
a utilizar diferentes tipos de esfregonas, incluindo as rotativas;
✓ Funcionários da limpeza das instalações do Instituto superior Técnico;
✓ Profissionais da Fapil. Têm a vantagem de já terem testado os produtos existentes no mercado
e avaliaram o produto com o know-how e experiência que detêm na matéria.
A metodologia seguida no estudo privilegiou as entrevistas em grupo e com a utilização física
dos produtos. No Anexo 1 consta o guião seguido nas entrevistas.
No decurso das entrevistas, o manuseamento do produto pelo entrevistado provocou um à-
vontade no grupo, originando várias críticas, comentários positivos, preferências e sugestões. Por
outro lado, o entrevistador conseguiu também identificar outras necessidades do utilizador que, por
vezes, resultaram da má utilização do produto.
Pelo facto da esfregona a desenvolver ser rotativa, nas entrevistas foram utilizados vários
conjuntos já existentes de esfregona rotativa e balde com diferentes mecanismos, o que permitiu
conhecer e avaliar o estádio de desenvolvimento atual deste tipo de soluções. Também foram
utilizados modelos de esfregonas não rotativas como, por exemplo, a ilustrada na imagem 3 da figura
2. O recurso a este modelo de esfregona permitiu identificar as suas necessidades mais relevantes e
tomar conhecimento de algumas transformações sofridas ao longo do tempo que antecederam a
esfregona rotativa.
27
No final, foi possível constatar que os entrevistados conseguiram analisar e avaliar o grau de
satisfação que os produtos proporcionaram, usando o produto e observando outros a manuseá-lo. Em
função destes resultados foi possível detetar as necessidades a satisfazer.
Toda a informação recolhida é apresentada na tabela 1, com a respetiva interpretação da
necessidade.
Tabela 1 - Listagem das observações dos cliente referente às esfregonas e
respectiva interpretação para necessidades do produto.
Observação do cliente Necessidade interpretada
Esfregona da imagem 3 da figura 2
- Não espreme bem a água da esfregona - A esfregona espreme bem toda a água
- É difícil de espremer a esfregona - A esfregona é fácil de espremer
- Não tenho força para espremer bem a água - É aplicada pouca força para espremer a esfregona
Esfregona rotativa e respetivo balde
- Tenho que me apoiar para dar ao pedal - O balde é livre de mecanismo com pedal
- Travamento na parte superior da esfregona é mais confortável que em baixo
- A esfregona tem travamento na zona superior do cabo
- Prefiro o travamento de patilha - A esfregona tem travamento de patilha
- Preferia que não tivesse o travamento - A esfregona é livre de travamento
- Prefiro que o mecanismo de rotação não seja no cabo
- A esfregona é livre de mecanismo de rotação no cabo
- Sem proteção no cesto rotativo a água sai do balde - O balde tem proteção no cesto rotativo contra salpicos
- Os baldes com dois compartimentos para a água, a água limpa acaba por ficar contaminada na mesma
- O balde tem um compartimento para a água
- Gosto da base da esfregona quando encaixa perfeitamente no cesto do balde
- A esfregona encaixa facilmente no cesto do balde
- A base da esfregona não passa atrás dos lavatórios e sanitas
- A esfregona passa por espaços pequenos
- Gosto do balde com rodas - O balde tem rodas
- O balde cheio de água é muito pesado para mover de sítio
- O balde é fácil de mover estando cheio de água
- Preferia que a esfregona girasse sozinha quando meto no cesto do balde
- A esfregona seca por um mecanismo automático
- Gosto do reservatório de detergente no balde - O balde tem reservatório de detergente
- Gostava de receber a temperatura da água no meu telemóvel
- A temperatura da água é disponibilizada numa App para smartphones
- Gostava de ser avisado se a água já está suja pelo telemóvel
- A sujidade da água é disponibilizada numa App para smartphones
- Gostava de ser avisado se o nível de água no balde está correto no meu telemóvel
- O nível de água no balde é disponibilizado numa App para smartphones
- Gosto do balde robusto e resistente - O balde é robusto e resistente
28
A interpretação das observações do utilizador obedeceu ao método apresentado no ponto 1.6,
do capítulo II, o que permitiu clarificar, mediante o recurso a afirmações positivas, as necessidades do
produto quanto ao objetivo e função do mesmo.
Por exemplo, na situação em que o utilizador se queixa que tem que fazer muita força para
espremer a esfregona, a necessidade interpretada simplifica a contestação ao seu ponto-chave, a
força, e transforma-a num atributo da esfregona. No caso, a necessidade pode ser definida por ser
aplicada pouca força para espremer a esfregona.
Por último, são apresentadas por ordem de importância as necessidades da esfregona
identificadas na tabela 1. Para o efeito, começou-se por agrupar as necessidades em dois grupos em
função da similitude do problema/necessidade a resolver/satisfazer. Esses grupos são:
a) A esfregona espreme bem toda a água.
b) O balde é robusto e resistente.
O grau de importância de cada necessidade é representado pelo número de asteriscos, sendo
três asteriscos muito importante e zero asteriscos menos importante. O principal critério utilizado na
atribuição dos asteriscos foi o número de referências a essa necessidade mencionada nas entrevistas.
A esfregona espreme bem toda a água
***A esfregona é fácil de espremer
***É aplicada pouca força para espremer a esfregona
***O balde é livre de mecanismo com pedal
**A esfregona passa por espaços pequenos
* A esfregona é livre de travamento
*A esfregona tem travamento de patilha
**A esfregona tem travamento na zona superior do cabo
**A esfregona é livre de mecanismo de rotação no cabo
A esfregona seca por um mecanismo automático
A temperatura da água é disponibilizada numa App para smartphones
A sujidade da água é disponibilizada numa App para smartphones
O nível de água no balde é disponibilizado numa App para smartphones
O balde é robusto e resistente
***O balde tem proteção no cesto rotativo contra salpicos
***A esfregona encaixa facilmente no cesto do balde
**O balde é fácil de mover estando cheio de água
*O balde tem um compartimento para a água
*O balde tem rodas
O balde tem reservatório de detergente
29
3.2 Definição das especificações do produto
Para a correta definição das especificações do produto, importa, antes de mais, transformar
as necessidades identificadas nas fases anteriores em características que o produto deverá
apresentar. Assim e em primeiro lugar, importa enumerar as necessidades, identificar os componentes
e atribuir-lhe grau de importância numérico, sendo 5 o mais importante e 1 o menos importante. Deste
trabalho, resulta a tabela 2, seguidamente apresentada.
Tabela 2 - Listagem das necessidades da esfregona com os respetivos graus de importância.
Nº Componente Necessidade Imp
1 Conjunto esfregona Espreme bem toda a água 5
2 Conjunto esfregona É fácil de espremer 5
3 Conjunto esfregona É aplicada pouca força para espremer a água 4
4 Balde É livre de mecanismo com pedal 4
5 Esfregona Passa por espaços pequenos 3
6 Cabo É livre de travamento 2
7 Cabo Tem travamento de patilha 2
8 Cabo Tem travamento na zona superior do cabo 3
9 Conjunto esfregona É livre de mecanismo de rotação no cabo 3
10 Conjunto esfregona Seca por um mecanismo automático 1
11 Conjunto esfregona A temperatura da água é disponibilizada numa App
para smartphones 1
12 Conjunto esfregona A sujidade da água é disponibilizada numa App
para smartphones 1
13 Conjunto esfregona O nível de água no balde é disponibilizado numa
App para smartphones 1
14 Balde É robusto e resistente 5
15 Balde Tem proteção no cesto rotativo contra salpicos 5
16 Conjunto esfregona A esfregona encaixa facilmente no cesto do balde 4
17 Balde É fácil de mover estando cheio de água 3
18 Balde Tem um compartimento para a água 3
19 Balde Tem rodas 3
20 Balde Tem reservatório de detergente 2
Com as necessidades bem claras e organizadas por grau de importância, são definidas
métricas que traduzem quantitativamente as necessidades. Por outras palavras, as métricas são a
unidade de medida de cada necessidade, permitindo, assim, conhecer e avaliar as especificações do
produto.
Na posse de todas estas informações, estão agora reunidas as condições para apresentar as
especificações da esfregona rotativa a desenvolver.
30
Tabela 3 - Listagem das métricas referentes às necessidades.
Nº da Métrica
Nº da Necess
Métrica Imp Unid
1 1 Água nos filamentos da esfregona 5 %.
2 1 Velocidade da 1ª rotação da esfregona 5 ms-1
3 1 Velocidade máxima de rotação da esfregona 5 ms-1
4 2 Experiência do utilizador 5 [1,5]
5 2, 3 Força máxima a aplicar na esfregona confortavelmente 5 N
6 4 Mecanismo de pé no balde 4 [0,1]
7 5, 16 Largura da base da esfregona 3 mm
8 6 Travamento 2 [0,1]
9 7 Tem travamento de patilha 2 [0,1]
10 8 Altura do travamento 3 mm
11 9 Mecanismo de rotação no cabo 2 [0,1]
12 10 Mecanismo automático 1 [0,1]
13 11 A temperatura da água é disponibilizada numa App para smartphones 1 [0,1]
14 12 A sujidade da água é disponibilizada numa App para smartphones 1 [0,1]
15 13 O nível de água no balde é disponibilizado numa App para smartphones 1 [0,1]
16 14 Rigidez do balde 5 [1,4]
17 14 Espessura média do balde 5 mm
18 14 Espessura média do cesto 5 mm
19 15 Proteção contra salpicos 5 [0,1]
20 16 Folga entre o cesto do balde e a base da esfregona, quando encaixada 4 mm
21 17 Altura da pega do balde ao fundo do balde 3 mm
22 17 Peso do balde cheio 3 Kg
23 18 Nº de compartimentos para a água 3 Nº
24 17, 19 Nº de rodas 3 Nº
25 20 Reservatório de detergente 2 [0,1]
Nas unidades de [0,1], o “0” corresponde a “Não” e o “1” a “Sim”. Na unidade de [1,5] da métrica
4, o “1” corresponde a “Muito difícil” e o “5” a “Muito fácil”. Na unidade de [1,4] da métrica 16, o “1”
corresponde a “Flexível” e o “4” a “rígido”.
Na tabela 4 apresenta-se a matriz comparativa entre as necessidades recolhidas e as
especificações definidas.
31
Tabela 4 - Matriz das necessidades vs métricas.
Métricas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Necess. 1 • • •
2 • •
3 •
4 •
5 •
6 •
7 •
8 •
9 •
10 •
11 •
12 •
13 •
14 • • •
15 •
16 • •
17 • • •
18 •
19 •
20 • O objetivo da matriz é verificar se a todas as necessidades está relacionada uma métrica.
Idealmente, a cada necessidade foi cedida uma métrica, no entanto, por vezes, há necessidade de
especificar uma necessidade com mais do que uma métrica, como são exemplo as necessidades 1, 2,
14 e 17. Também pode acontecer que uma métrica possa satisfazer mais que uma necessidade, como
são exemplo as métricas 5, 7 e 24.
Com as métricas bem definidas e organizadas, selecionaram-se alguns dos conjuntos de
esfregonas rotativas já existentes no mercado de modo a serem avaliados perante as especificações
requeridas para o novo produto a desenvolver. Todos estes conjuntos, apresentados na figura 4, foram
adquiridos pela Fapil e cedidos ao autor para os testar. Os produtos selecionados são bastante
diversificados, contendo as principais características de todos os tipos de conjuntos de esfregona
rotativa existentes.
Figura 4 - Conjuntos de esfregonas rotativas testados.
32
Seguidamente, apresenta-se uma tabela 5 com as métricas de produtos concorrentes de modo
a definir os valores ideais aceitáveis para a esfregona a desenvolver neste documento.
Tabela 5 - Tabela comparativa de métricas de esfregonas rotativas existentes no
mercado e valores ideais para a esfregona a desenvolver.
Nos testes usou-se balança e máquina de filmar para calcular as métricas 1, 2, 3, 5 e 22.
A percentagem de água nos filamentos da esfregona foi obtida pela medição do peso destes
secos, ensopados de água e após a sua secagem no respetivo mecanismo de secagem. O valor ideal
para o novo produto estima-se ser menor que, aproximadamente, 15%. Isto é justificado através de
informação obtida no processo da recolha de necessidades, onde foi mencionado que os filamentos
Nº da Métrica
Nº da Necess
Imp Unid Fapil Kasa Kasa Pedal
Utildecor Otyma Fénix
Mopnado Walkable spin mop
Vileda Valor ideal
1 1 5 %. 21 12 9 17 18 17 12 15>
2 1 5 ms-1 1,42 0,89 0,89 0,85 0,83 1,00 0,95 1,4<
3 1 5 ms-1 7,85 8,90 8,90 5,97 8,90 8,14 9,14 9,1<
4 3 5 [1,5] 4 4 4 4 3 4 4 5
5 2, 3 5 N 40,2 65,7 53 62,8 89,2 57,9 83,4 40>
6 4 4 [0,1] 0 0 1 0 0 0 1 0
7 5, 16 3 mm 164 164 164 164 161 166 155 120>
8 6 2 [0,1] 1 1 1 1 1 1 0 0
9 7 2 [0,1] 0 0 0 1 0 0 0 0
10 8 3 mm 535 510 510 510 505 485 - -
11 9 2 [0,1] 1 1 1 1 1 1 0 0
12 10 1 [0,1] 0 0 0 0 0 0 0 0
13 11 1 [0,1] 0 0 0 0 0 0 0 1
14 12 1 [0,1] 0 0 0 0 0 0 0 1
15 13 1 [0,1] 0 0 0 0 0 0 0 1
16 14 5 [1,4] 1 4 4 3 4 4 3 4
17 14 5 mm 1,5 2,5 2,5 2 2 2 1,5 2
18 14 5 mm 2 2,5 2,5 2 1 1 2,5 2,5
19 15 5 [0,1] 1 1 1 1 1 1 1 1
20 16 4 mm 31 26 26 26 29 29 2 10>
21 17 3 mm 440 445 500 465/455 495/ 655
535/ 515
505 [550, 600]
22 17 3 Kg 5,1 5,9 8 8,4 10,7 11,7 7,8 6>
23 18 3 Nº 1 1 1 1 1 1 1 1
24 17, 19 3 Nº 0 0 0 2 2 2 0 2
25 20 2 [0,1] 0 0 1 1 1 1 0 1
33
da esfregona do conjunto Utildecor eram secos o suficiente para a absorção de sujidade da superfície.
No entanto, havia preferência na condição dos filamentos do conjunto Vileda.
Os valores ideais das métricas 2, 3, 4 e 5 foram definidos com cotações exigentes em relação
aos outros produtos, com o objetivo de se alcançar melhorias na qualidade e na facilidade da secagem.
A importância deste objetivo é de tal forma determinante que a sua consecução traduzir-se-á numa
inovação do mercado.
Analisando a experiência do utilizador, é de notar que os conjuntos esfregona rotativa atuais
já proporcionam uma boa experiência ao utilizador. Especialmente se compararmos com o modo de
secagem da esfregona da imagem 3 da figura 2, com espremedor no balde, que é considerada difícil
para atingir uma secagem dos filamentos aceitáveis. Apenas no modelo da Otyma Fénix se verifica
uma avaliação inferior, justificada pelo excesso de carga necessário à atuação da secagem, também
confirmado pela métrica 5.
A largura definida para o valor ideal da métrica 6 foi obtida com base na média da medição de
espaços considerados pequenos, no processo das entrevistas. Os mais mencionados foram espaços
atrás de sanitas e lavatórios de casa de banho.
Relativamente às métricas 6, 8, 9, 10 e 11, estas caracterizam o tipo de acionamento do
mecanismo de secagem, usado em cada um dos produtos testados. Idealmente e justificado pelas
necessidades 4, 6 e 9, nenhum dos tipos de acionamento será reproduzido no novo produto. Quanto
ao mecanismo automático referente à métrica 12, é possível a sua implementação, justificada pela
necessidade 10.
Relacionando a métrica 16 com a 17, comparando o modelo da Fapil com o da Vileda,
constata-se que a espessura do balde pode não ser o único responsável pela robustez do mesmo.
Pensa-se que a forma do balde possa influenciar a métrica 16. No entanto, é de realçar que apenas
no modelo da Fapil, a proteção contra salpicos contorna apenas o cesto e não estende o seu tamanho
até meio do balde.
Na métrica 20 prevê-se que se a base da esfregona for justa ao cesto, a necessidade 16 é
conseguida.
3.3 Geração e seleção de conceitos
Seguindo os valores ideais para as especificações da esfregona rotativa, constata-se que o
mecanismo de rotação não será acionado por pedal e não será também situado no cabo da esfregona
não tendo, deste modo, travamento no cabo. Resulta, assim, que o mecanismo de rotação da
esfregona será implementado no balde. Este vai ter apenas um compartimento, proteção contra
salpicos, duas rodas e um reservatório de detergente.
De seguida, são esquematizados e analisados os problemas que continuam por solucionar.
34
- Secagem dos filamentos da esfregona:
Relativamente ao esquema da figura 5, foi considerado que o movimento de atuação do
mecanismo é feito no cabo da esfregona, evitando deste modo o acionamento com o pé, que
provocaria um possível desequilíbrio do utilizador, o agachamento do utilizador para alcançar o balde
com um membro superior ou mesmo o acrescento de uma peça extra de acionamento que evitasse
esse agachamento.
Soluções para o subproblema aplicar movimento no cabo da esfregona:
Um impacto
Múltiplos impactos
[2 a 10]
Múltiplos impactos
[superior a 10]
Torcer e
pressionar
Pressionar
Figura 6 - Diversas formas de aplicar movimento no cabo da esfregona.
Idealmente, a melhor solução para aplicar o movimento no cabo é apenas com um impacto.
No entanto, prevê-se que seja necessária uma carga de aplicação muito elevada. Também a solução
de pressionar pode ser ideal se a carga a aplicar for inferior a 40N. Considera-se relevante também a
solução de múltiplos impactos na gama das dezenas se a restrição da carga a aplicar seja cumprida.
Aplicar
movimento no
cabo da
esfregona
Transmitir
movimento linear
vertical do cabo
para rotacional
do cesto
Encaixar
esfregona no
cesto do
balde
Aplicar
rotação na
esfregona
Energia
Esfregona
Molhada
Esfregona
Seca
Figura 5 - Esquematização do problema de secar os filamentos da esfregona.
35
Soluções para o subproblema transmitir movimento linear vertical do cabo para rotacional do
cesto:
Figura 7 - 1: Engenho primitivo de furar ou fazer fogo; 2 e 3: Engrenagem com cremalheira como atuante;
4: Mecanismo de êmbolo e biela; 5 – Motor magnético; 6 – Motor elétrico; 7 – Mecanismo de fuso roscado.
Analisando a figura 7, temos que o mecanismo:
- 1, tem como princípio de funcionamento o enrolar e desenrolar de um cabo no veio a provocar
rotação. Este veio tem que possuir uma massa que provoque a inércia suficiente para manter
o veio a rodar sem carga a ser aplicada, tornando possível o enrolamento do cabo. O facto de
o enrolar do cabo necessitar de alguma tensão no cabo, de forma a este ficar bem enrolado e
permitir que o desenrolar provoque novamente a rotação do veio, a coordenação da operação
considera-se elevada para implementar no mecanismo de secagem da esfregona. Ademais, o
movimento de rotação não é unidirecional com consecutivos acionamentos;
- 2 e 3, representam um mecanismo de engrenagem, com cremalheira incorporada como
atuante. O mecanismo 3 tem ainda associado um sistema de roquete, que mantém a rotação
unidirecional do output do mecanismo, em simultâneo com a atuação da cremalheira. Neste
caso, há a possibilidade de adicionar desmultiplicação no sistema de engrenagem, de forma à
carga de acionamento respeitar o valor ideal da métrica 5;
- 4, é caracterizado por ser um sistema de êmbolo e biela. Este mecanismo considera-se igual
ao mecanismo 2 e 3 com diferente tipo de atuação. É também possível ter que ser
acrescentado desmultiplicação no sistema de engrenagem para cumprir com a carga ideal de
atuação e evitar que seja preciso elevado número de acionamentos consecutivos para
provocar a velocidade de rotação idealizada;
- 5, aciona com a aproximação de um elemento íman ao cilindro de rotação livre, onde outros
ímanes estão fixos e disposto de forma a provocar a rotação. Considera-se que, para este
mecanismo satisfazer a velocidade exigida nas especificações, seria necessário um elevado
número de ímanes fortes, que resultam em elevados custos de produção. A precisão de
acionamento do mecanismo também é posta como um constrangimento;
1 2 3 4
5 6 7
36
- 6, corresponde a um motor elétrico. Este tem a desvantagem de conter elevados custos de
produção, comparativamente com o custo de produção de um conjunto esfregona rotativa.
Este custo sobe com o aumento da potência do motor, de modo ao motor satisfazer as
especificações exigidas à secagem dos filamentos da esfregona. O contacto com a água
danifica o motor, sendo também considerado como um ponto negativo neste mecanismo. Este
precisa também de ter uma fonte de energia externa, como por exemplo uma bateria. No
entanto, tem a grande vantagem da simplicidade da sua atuação. Posto isto, considera-se que
este motor elétrico, em dimensões reduzidas, funciona como atuador de um sistema de
engrenagens desmultiplicadoras, contornando de certa forma a barreira dos custos de
produção;
- 7, descreve o mecanismo de rotação dos conjuntos de esfregona rotativa, que se situa no
cabo. Este é constituído no seu global por um fuso roscado, responsável por produzir a rotação
da esfregona. Foi ainda definido nas especificações como um mecanismo a não ser
implementado no cabo do novo produto.
O tamanho necessário para a implementação dos mecanismos 1, 5 e 7 torna-se também uma
desvantagem eliminativa, sendo que foi definido que o mecanismo de rotação seria dentro do balde.
Para melhor seleção dos restantes mecanismos, é apresentada uma matriz de seleção da
tabela 6, onde são considerados certos parâmetros como o custo de produção, facilidade de atuação,
processo de montagem, considerando a sua complexidade e número de peças necessárias,
fiabilidade, volume ocupado no balde e a força aplicada no cabo para atuar o mecanismo.
Tabela 6 - Matriz de Seleção.
Mecanismo
Critérios de seleção 2 e 3 4 6
Custo de produção 0 0 -
Facilidade de atuação 0 0 +
Facilidade de montagem + 0 -
Quantidade de peças 0 0 -
Fiabilidade + + 0
Menor volume ocupado no balde 0 - -
Menor força aplicada 0 0 +
Soma das classificações (+) 2 1 2
Soma das classificações (0) 5 5 1
Soma das classificações (-) 0 1 4
Resultado líquido 2 0 -2
Classificação 1º 2º 3º
Continuar? Sim Não Não
O conceito selecionado é o referente ao mecanismo 2 e 3, no entanto o mecanismo 6 pode
ser revisto devido à constante evolução da tecnologia. O seu custo de produção, fiabilidade e volume
ocupado no balde pode sofrer melhoramentos significativos, invertendo posições na classificação da
matriz de seleção.
37
Soluções para o subproblema encaixar a esfregona no cesto do balde:
Para um fácil e robusto encaixe, as cabeças de parafusos e respetivas ferramentas são uma
boa fonte de informação. São encaixes fáceis de inserir e retirar, exigido pela mobilidade das
operações envolventes, e são projetadas para suportar grandes cargas. Deste modo, apresentam-se
na figura 8 diferentes tipos de encaixes.
Figura 8 - Cabeças de parafusos.
Analisando a figura 8 e tendo em conta a soluções para o problema, existentes no mercado,
selecionam-se as formas mais hexagonais, simples e de encaixe rápido com precisão. Tem-se, assim,
a forma de um hexágono; a forma Fluted socket 4 flutes, mas eliminando os cantos pontiagudos; a
forma 5 Node Security, com os cantos arredondados, de maneira a ter meias luas em toda a volta.
Adiciona-se ainda uma outra solução relevante para este problema na figura 9, representando um
encaixe apenas de apoio, com a forma de meia esfera. No entanto, este não transmite rotação do cesto
para a esfregona.
Figura 9 - Encaixe com forma de meia esfera.
38
Soluções para o subproblema aplicar rotação na esfregona:
Este problema está localizado na conexão entre o mecanismo de rotação e a esfregona. Em
simultâneo, é nesta conexão que é acionado o mecanismo de rotação, pelo contacto entre o cesto e a
cremalheira, e também é aplicada rotação no cesto resultante do mecanismo de rotação. Posto isto,
conclui-se que nesta conexão é exercido um movimento translacional descendente, ao mesmo tempo
que é provocado um movimento rotacional na mesma. Identifica-se, assim, um sistema de calha nesta
conexão, variando a forma do encaixe.
Devido à variedade de possíveis encaixes a ser aplicados neste mecanismo, como são
exemplo os do subproblema anterior, foi solucionado este subproblema com um tubo de dentado
simples na superfície exterior. Este é representado na figura 10.
Figura 10 - Veio dentado simples e respetivo cesto.
O veio dentado está posicionado na vertical, é coaxial e integral à última roda dentada do
mecanismo de rotação, que por sua vez conecta com o encaixe inverso embutido no cesto. No interior
do veio dentado desliza verticalmente o veio da cremalheira, assim como o veio embutido no cesto que
o aciona.
- Forma da base da esfregona:
Figura 11- Formas de base de esfregonas.
39
Na figura 11 são apresentadas bases de esfregonas já existentes no mercado e foram
acrescentadas mais duas possíveis formas. Este problema reflete-se na necessidade de a esfregona
permitir limpar espaços considerados pequenos. Também há a limitação da área do cesto do balde,
com a complementaridade de ser exigido que a base auxilie a centralização da esfregona com o cesto
para um fácil encaixe e utilização.
Analisando assim as formas juntamente com as restrições exigidas, excluem-se apenas as
duas primeiras opções.
- Tipo do cabo da esfregona:
Considera-se neste trabalho que o cabo pode ser um tubo só, dividido em dois ou em três para
melhor arrumação. Esta decisão pode também ser influenciada pela possibilidade de usar um cabo de
encaixe universal na base da esfregona, não necessitando assim de estar incluído no conjunto da
esfregona rotativa quando é entregue ao consumidor. A pega tem uma forma ergonómica com um furo
no topo para facilitar arrumação. Ideia esta suportada pela comparação entre outros produtos idênticos
já existentes no mercado, como os anteriormente testados para a avaliação das especificações.
O cabo necessita de um ponto de rotação livre para que o utilizador possa agarrar a esfregona
e, em simultâneo, esta possa também girar. Da pesquisa feita apresenta-se a seguinte árvore de
classificação.
Rotação livre no cabo
Posição da rotação
Mecanismo de rotação
Travamento
Veio livre
Engrenagens
Rolamentos
Nas junções do cabo, quando este
está dividido
Junção entre a base da esfregona
e o cabo
Base da esfregona
Junção do cabo com a pega
Pega do cabo
Parafuso com furo roscado
Aperto
Pinos de travamento
Sem
Figura 12- Árvore de classificação das especificações para uma rotação livre no cabo.
40
Analisando o mecanismo de rotação esquematizado na figura 12, considera-se que as
engrenagens introduzem complexidade, mais peças e mais custos associados. Os rolamentos têm a
vantagem de diminuir o atrito na rotação, contudo aumentam o custo de produção. O veio livre tem a
desvantagem de conter possíveis atritos na rotação, dependendo de forças aplicadas e materiais.
Primeiramente, na seleção de conceitos, considerou-se o veio livre a opção preferencial, assumindo
como prioridade a simplicidade do mecanismo e o baixo custo de produção. Contudo, após testes aos
protótipos do produto, constatou-se que a redução dos atritos nesta conexão é inevitável, sendo
necessário o uso de um rolamento.
No que diz respeito ao travamento, se existir, será por aperto de modo a possibilitar um
resultado mais ergonómico.
Quanto à posição da rotação, todas podem ser opções pois só será definido qual a mais
apropriada quando houver mais variantes a constringi-las. No entanto, é de salientar que a maioria dos
produtos analisados anteriormente contêm rotação na base da esfregona e exclusivamente o conjunto
Vileda tinha na junção do cabo com a pega.
- Como medir a temperatura, sujidade e nível da água, disponibilizando numa App para smartphones:
Figura 13 - 1, 2, 3 e 4: Termómetro com bluetooth; 5: Termómetro e sensor de sujidade com wireless; 6 , 7 e 8:
Sensor de sujidade; 9: Sensor wireless do nível de água; 10 e 11: Sensor do nível de água; 12, 13 e 14:
Termómetro, sensor de sujidade e do nível de água com wireless e App.
6
1 2 3 4
7 5 8
9 10 11
12 13 14
41
Após uma pesquisa de soluções para medir temperatura, sujidade e o nível de água no balde,
obtiveram-se os sensores representados na figura 13. Apenas as soluções 12, 13 e 14 possuem as
três necessidades num só dispositivo, no entanto são aparelhos específicos para o seu mercado. As
soluções 13 e 14, por exemplo, pertencem ao mercado de aquários, tendo assim um preço astronómico
comparativamente ao preço do conjunto esfregona rotativa. Desta forma, é também considerado cada
tipo de sensor em separado, com o objetivo de diminuir os custos. No entanto, estes necessitariam de
desenvolvimento de produto para os interligar e enviar a informação recolhida para um smartphone.
Ainda assim e sem considerar os custos de desenvolvimento desta interligação, os seus custos de
produção adicionais seriam demasiado elevados no custo de produção do conjunto da esfregona
rotativa.
Considera-se que nenhuma das soluções são implementadas no conjunto da esfregona
rotativa, pelos custos destas agravarem exageradamente o custo do produto final e suportado pelo
baixo grau de importância da necessidade requerente destas soluções.
- Forma do balde e pegas
Na figura 14 são apresentados baldes de esfregonas já existentes no mercado e as respetivas
pegas. É acrescentada mais uma possível forma da pega no cesto de supermercado, situado no canto
inferior direito.
Figura 14 - Formas de baldes de esfregonas e pegas.
42
No presente documento, considera-se que a forma do balde é apenas constrangida pelo
design mais atrativo ao cliente. Esses são os baldes com forma mais oval como o balde assinalado
com um círculo na figura 14. De forma a melhorar a ergonomia do balde, evitando o agachamento
constante sempre que é necessário movê-lo, este é caracterizado por possuir duas pegas. Uma que
contorna meio cesto e uma segunda similar a uma pega de trolley, como está ilustrado nos baldes com
duas pegas apresentados na figura 14. Na meia parte do balde, oposta ao cesto, haverá uma saliência
para facilitar o vazamento do balde, como no balde assinalado pelo círculo na figura 14. Para tal, a
pega que contorna o cesto assenta no bordo do lado do cesto.
Figura 15 - Esfregona rotativa e respetivo balde.
Direcionadas à figura 15 estão as variáveis dos problemas analisados acima por definir.
Começando pelo mecanismo de rotação, este será similar ao mecanismo 3 da figura 7, mas
com a cremalheira na vertical como no mecanismo 2 da mesma figura. Mais concretamente, este
mecanismo é composto por um sistema de engrenagens, com uma cremalheira como atuante e um
sistema roquete para manter a rotação da secagem unidirecional.
Considera-se que, para este tipo de mecanismo, o intervalo de dois a dez impactos será o tipo
de movimento que será aplicado no cabo. No entanto, tem-se como objetivo atingir a velocidade final
exigida pela métrica 3, no primeiro impacto. Os restantes impactos têm a função de manter a rotação.
Prevê-se que seja implementado no mecanismo um sistema de engrenagens desmultiplicadoras, de
forma a respeitar também a métrica 5.
Este mecanismo de engrenagens transmite a rotação para o cesto do balde, por intermédio de
um veio dentado simples na superfície exterior, coaxial e integral à última roda dentada do mecanismo.
Este permite que o cesto efetue um movimento translacional sobre o veio, em simultâneo com a
transmissão de rotação empregue pelo mecanismo.
Movimento a aplicar: - Um impacto - Múltiplos impactos [2 a 10] - Pressionar
Rotação livre: - Por veio livre - Por rolamentos
- Na base da esfregona - Na junção base-cabo - Na junção dos tubos - Na junção cabo-pega - Na pega - Sem travamento - Com travamento de aperto
Forma da base: - Retangular - Circular - Triangular - Hexagonal - Losangular
Mecanismo de rotação: - Engrenagem com
cremalheira como atuante
Forma do encaixe: - Hexágono - Fluted socket 4 flutes - 5 Node Security - Meia esfera
43
Desta forma, considera-se que o cesto gira em simultâneo com a esfregona, tendo ambas,
assim, a mesma velocidade de rotação. Para proporcionar um fácil encaixe da esfregona no cesto, a
base da esfregona deve ser justa ao cesto, como requerido na métrica 20. Deste modo, serão
empregues saliências no interior do cesto, para que os filamentos e a base da esfregona se fixem a
este. Assim sendo, a forma de encaixe entre a esfregona e o cesto pode ser a mais simples, definindo-
se a meia esfera como a solução mais simples para o utilizador funcionar com o produto. Garantindo
também o cumprimento da métrica 7, mesmo sendo o diâmetro do cesto superior ao valor ideal desta,
e respeitando a folga da métrica 20 nos pontos de proximidade da base ao cesto, a forma da base é
definida como hexagonal. Esta compreende uma largura máxima de 120mm e um comprimento pouco
menor que o diâmetro do cesto. Sendo a base hexagonal, esta tem 6 pontos de apoio no cesto
facilitando o seu encaixe no cesto.
Tornando possível o uso de um cabo de esfregona ou vassoura comum, onde a peça que liga
o cabo à base tem um encaixe universal para o cabo, o ponto de rotação livre pode ser na base da
esfregona ou na junção da base com o cabo. No entanto, a base dispõe de mais espaço para a
implementação deste mecanismo de rotação livre, proporcionando menos complexidade e peças na
sua conceção. O travamento é equacionado como um acrescento de complexidade no produto que,
por sua vez, aumenta também os custos de produção. Neste trabalho foi definido, primeiramente, que
a rotação seria por veio livre, no entanto, após teste dos protótipos, um rolamento foi implementado,
minimizando os atritos ao máximo.
Na figura 16, é representado um esboço do conceito final a ser trabalhado no restante
documento.
Figura 16 - Esboço do conceito gerado para o mecanismo de rotação da esfregona.
44
4. Implementação do conceito
Neste capítulo é explanada a constituição do novo conjunto esfregona rotativa com base nos
resultados do capítulo anterior. É apresentado o desenho da geometria do produto, onde é exposto o
novo mecanismo de secagem da esfregona por centrifugação (NMSEC), estruturando todo sistema de
engrenagens que o compõe, assim como os seus materiais. Por último, são descritos e analisados os
protótipos realizados neste trabalho.
4.1 Desenho da geometria do produto
O novo conjunto esfregona rotativa representado na figura 17, é composto pelo NMSEC (4),
balde (3), cesto (2), esfregona (1), pega central, pega trolley, proteção com salpicos e duas rodas.
Apenas os filamentos da esfregona não são apresentados na figura 17, de modo a simplificar a
esquematização do novo produto. Os filamentos são encaixados na parte inferior da base da
esfregona.
Inicialmente é discutido o NMSEC na sua constituição, funcionalidade e montagem. Este tem
a limitação do volume a ocupar no balde (31) de sensivelmente 230mmx190mmx140mm
(comprimento, largura e altura, respetivamente), restringindo-se a uma área pouco superior à do cesto.
O NMSEC é representado em detalhe na figura 18 e inclui parte da esfregona, cesto, parte do balde,
sistema de cremalheira, engrenagem cónica desmultiplicadora, dois níveis de engrenagem cilíndrica
desmultiplicadora, mas com o sistema de roquete incorporado no segundo nível, peças de suporte,
rolamento, mola e parafusos para fixação.
Figura 17 - Novo conjunto esfregona rotativa e vista explodida.
45
O funcionamento do mecanismo é caracterizado por ser iniciado por um movimento
descendente no cabo (11) que, consequentemente, empurra o cesto (2) para baixo. O contacto entre
a esfregona (1) e o cesto (2) acontece entre a base (12) e o encaixe (21), em forma de meia esfera. A
esfregona (1) tem livre rotação com o auxílio de um rolamento, situada na parte superior da base da
esfregona. Desta forma, esta acompanha a rotação do cesto (2) enquanto que, em simultâneo, é
aplicada a carga descendente no cabo (11).
O cesto (2) está centralizado com o orifício (32), com a roda dentada cilíndrica (451) e com o
veio (412) incorporado na cremalheira (411). Assim sendo, o movimento descendente do cesto (2) faz
com que o veio (22) incorporado no cesto (2) acione a cremalheira (411), pelo contacto com o veio
(412) integral à cremalheira (411). Entre o veio (22) e o veio (412) deve existir uma esfera, de forma a
diminuir o atrito no contacto. Em cada uma das superfícies de contacto entre os veios (22 e 412) e a
esfera, existe uma cavidade esférica para centraliza os três componentes quando há carga aplicada.
Entre a cremalheira (411) e a base (48) encontra-se uma mola de compressão, de forma a auxiliar o
recuo da cremalheira (411) à posição inicial, que consequentemente impulsiona também o cesto para
o topo do balde.
A cremalheira (411) está posicionada na vertical e engrenada com o pinhão (421). Com o
suporte do veio (461), o pinhão (421) é coaxial e integral à maior roda dentada cónica (422). Assim é
acionada a engrenagem cónica desmultiplicadora, com o engrenamento entre a grande roda dentada
cónica (422) e a pequena roda dentada cónica (431). Esta engrenagem altera o movimento de rotação
do eixo horizontal para o vertical. A relação de roda dentada grande para a pequena resulta na
desmultiplicação da carga.
Figura 18 - Dois diferentes ângulos da vista explodida do NMSEC.
46
A pequena roda dentada cónica (431) é, por sua vez, coaxial e integral com a grande roda
dentada cilíndrica (432), girando em torno do veio (462). Esta roda dentada cilíndrica (432) engrena na
pequena roda dentada cilíndrica (4411), acionando assim o primeiro nível da engrenagem cilíndrica
desmultiplicadora. Na ligação entre o primeiro e o segundo nível da engrenagem cilíndrica
desmultiplicadora está incorporado o sistema de roquete, limitando o segundo nível a uma rotação
unidirecional. A pequena roda dentada cilíndrica (4411) é coaxial e integral com parte inferior (4412)
do sistema roquete, formando a peça (441). Esta (441) é coaxial com a peça (442) e tem suporte do
veio (463). Desta forma, a parte superior (4421) do sistema de roquete é coaxial e incorporada na
grande roda dentada cilíndrica (4422), constituindo a peça (442) e acionando assim o segundo nível
da engrenagem cilíndrica.
A grande roda dentada cilíndrica (4422) engrena a pequena roda dentada cilíndrica (451), que
está diretamente ligada ao cesto (2), fechando por fim o mecanismo. Esta ligação é feita por um veio
dentado simples na superfície exterior (452), que limita o cesto (2) a um movimento translacional
vertical, provocando a sua rotação em simultâneo. O veio dentado (452) é fixo no eixo vertical pelo
apoio (4711), da tampa suporte (471) do mecanismo de rotação, e pela peça suporte (472). No interior
da peça suporte (472), é acrescentado um rolamento, de modo a diminuir o atrito na respetiva rotação.
A peça suporte (472) é separada da tampa suporte (471), para facilitar o fabrico da tampa
suporte (471) por injeção plástica. A peça de suporte (473) e a peça de suporte (474) auxiliam a
montagem do veio (461), facilitando também o fabrico da base (78) por injeção plástica. A peça suporte
(475) é separada da base (48) do mecanismo de rotação, para facilitar o fabrico da mesma (48) por
injeção plástica. A tampa suporte (471) constringe a nulo o movimento da peça suporte (473), peça
suporte (475), veio (461) e do veio (462).
No NMSEC, a acrescida desmultiplicação das engrenagens é inevitável para que o cesto gire
o suficiente à secagem dos filamentos da esfregona, com poucos movimentos descendentes no cabo
e com reduzida carga associada.
Analisando o sistema de engrenagens em maior detalhe, são definidas as suas especificações
técnicas, como números de dentes, diâmetros, relações de transmissão, entre outras. Para tal, são
conhecidos os diferentes tipos de engrenagens envolventes no mecanismo, o material preferencial e
os inputs do mecanismo, como carga aplicada e velocidades.
Para melhor entendimento, engrenagens são órgãos de máquinas que transmitem movimento
rotacional de um veio motor a um veio movido, por sucessivos engrenamentos de dentes nas suas
periferias ou por atrito [17-19]. Este tipo de mecanismo constitui um método económico para tais
transmissões, especialmente para elevados níveis de potência. A relação de transmissão constante
pode ser controlada livremente com alta precisão, alterando o número de dentes da engrenagem.
Alterando consequentemente o diâmetro das rodas dentadas em contacto, denomina-se de pinhão ou
carreto à menor das duas e roda à maior. Estas podem ter diferentes tamanhos, atingindo pequenas
dimensões como em relógios de pulso e grandes dimensões como em turbinas. As engrenagens têm
ainda as vantagens de conseguirem atingir rendimentos elevados e longa duração. [17] [19] [20]
47
A inclinação dos dentes é um fator importante que merece atenção, quando se projeta
engrenagens. Estes podem ser retos (paralelos ao eixo da roda), helicoidais (em hélice de eixo
coincidente com o eixo da roda), espirais (em espiral cónica de eixo coincidente com o eixo da roda)
ou curvos (em curva sobre um superfície cónica), sendo os dois primeiros os mais usados [19].
Comparando os dois primeiros, dentes retos são considerados os mais simples, comuns e
económicos na família das engrenagens. Contudo, dentes helicoidais têm a vantagem de transmitirem
mais potência, mais velocidade e são mais silenciosas. No entanto, estes podem desgastar-se com
mais facilidade e precisam, geralmente, de mais lubrificação do que as engrenagens de dentes retos
[17].
As engrenagens são também classificadas como exterior e interior, no que diz respeito à
posição relativa dos centros de rotação [19].
No NMSEC existe três tipos de engrenagem e estão representadas na figura 19.
Figura 19 - Tipos de engrenagens que compõem o NMSEC.
A primeira engrenagem do NMSEC é do tipo cremalheira e pinhão de dentes retos e está
representada na imagem da esquerda da figura 19. Com este sistema, pode-se transformar movimento
rotacional em movimento retilíneo e vice-versa. Cremalheira é uma barra provida de dentes, destinada
a engrenar numa engrenagem cilíndrica de dentes retos ou helicoidais. Esta pode ser considerada
como sendo uma roda de raio infinito e, nesse caso, a circunferência da roda pode ser imaginada como
um segmento de reta. Desse modo, a circunferência primitiva da engrenagem é tangente à linha
primitiva da cremalheira [17-19].
Adjacente ao carreto da primeira engrenagem, está representada na imagem do meio da figura
19 a segunda engrenagem do NMSEC, caracterizada por ser cónica de dentes retos. Este tipo de
engrenagens têm a particularidade de serem montadas em eixos que se intersectam entre si e podem
ser ou não perpendiculares. Os dentes destas engrenagens estão localizados nas superfícies cónicas
e são possíveis todos os tipos de dentes [17].
48
As últimas duas engrenagens do NMSEC, dispostas em dois níveis de desmultiplicação, são
cilíndricas de dentes retos, sendo a primeira delas representada na imagem da direita da figura 19.
Este tipo de engrenagens são distinguidas por transmitirem movimento entre eixos de rotação paralelos
e possuem também dentes paralelos entre si. De todos os tipos de engrenagens, este é o mais comum
[17-19].
Como é supra mencionado na explicação do funcionamento do NMSEC, o sistema roquete
está posicionado na ligação entre os dois níveis de engrenagens cilíndrica. A parte interior do sistema
roquete é integral ao carreto do primeiro nível e a parte superior está incorporada na roda do segundo
nível.
O sistema roquete é bastante usado em máquinas, tendo como objetivo a transmissão
intermitente de movimento, restringindo a rotação do eixo a um movimento unidirecional. Os dentes de
engrenamento deste sistema tanto se dispõem na periferia da roda, como no seu interior,
transformando a forma da roda num anel, como está representado na figura 20. O trinco do mecanismo,
que engrena nos dentes do roquete, é uma barra fixa com uma extremidade pinada e outra de forma
a engrenar nos dentes. Para que o trinco esteja sempre ativo e mantenha o contacto com os dentes
do roquete, pode ser usada uma mola ou apenas o contrapeso do trinco desde que vençam a inércia,
peso e atrito do trinco. Com isto, quando é necessário usar mola, provavelmente esta será para baixas
forças, de forma a facilitar a rotação no sentido oposto ao do engrenamento [21].
No sistema roquete do NMSEC não foram usadas molas com o objetivo de reduzir a
complexidade e custos de produção. Considera-se também que a elevada velocidade de rotação do
sistema de roquete será necessária para fazer o contrapeso.
No passado, as engrenagens plásticas não eram consideradas viáveis para transmitir
potência, operar em altas velocidades ou transmitir movimento constante com precisão. Contudo, com
a evolução das capacidades estruturais destes materiais, dos processos de moldagem e da fiabilidade
nos dados técnicos de engenharia, aquele problema foi ultrapassado [18].
Desde meados do século passado que as engrenagens plásticas começaram cada vez mais
a substituir as metálicas nas diversas aplicações e produtos, como são exemplos eletrodomésticos,
componentes automóveis, como os elevadores das janelas e para-brisas, elevadores de portões de
garagens, relógios, impressoras, entre outros [18].
Relativamente aos processos de fabricação de engrenagens, as metálicas são conhecidas por
serem fabricadas por maquinação e de sofrerem processos de acabamento de superfícies. Já as
Figura 20 - Sistema roquete.
49
plásticas têm a vantagem de poderem ser fabricadas por moldes de injeção plástica. Este processo
envolve menos custo de produção, é mais rápido e mais fácil de operar, quando comparado com a
maquinação, principalmente quando falamos de grandes volumes de produção. Permite também
aplicar configurações e formas complexas às peças a fabricar, no entanto não atinge a precisão no
dimensionamento que a maquinação consegue e existe maior probabilidade de ocorrerem empenos
nas peças [18] [20].
A produção de peças por moldes de injeção plástica refere-se a uma variedade de processos
que envolve o forçar ou o injetar de um fluído plástico dentro de um molde. Neste método, a máquina
injetora começa por aquecer o plástico até este estar pronto a fluir sobre pressão. Concluído o
aquecimento do plástico, este é injetado para o interior do molde. Durante a injeção do material e
enquanto o mesmo arrefece e solidifica, a máquina de injeção tem que manter o molde totalmente
fechado. Após o tempo de arrefecimento, o molde é aberto pela máquina injetora, de modo a remover
a nova peça fabricada [18].
É de realçar que, para desenvolver engrenagens a serem produzidas por injeção plástica, é
essencial haver um envolvimento entre o engenheiro projetista, o fabricante dos moldes, o operário
dos moldes e o fornecedor dos materiais [18].
Comparando agora as propriedades mecânicas das engrenagens plásticas com as das
metálicas, as plásticas têm menor densidade, portanto menos peso e, com isso, menos inércia
envolvida. Também amortecem mais os impactos e choques, reduzindo assim o ruído do
engrenamento e suavizando o funcionamento. O baixo coeficiente de atrito e a resistência à corrosão
são também atributos das engrenagens plásticas que ajudam à fluidez do seu funcionamento,
permitindo a omissão de lubrificação no engrenamento. No entanto, dependendo do tipo de plástico
usado nas engrenagens, estas podem ser afetadas por certos químicos e lubrificantes [18].
Mesmo perante tantas vantagens, continuam a haver algumas limitações, onde as
engrenagens metálicas são preferenciais. Nessas são englobadas a força máxima de carregamento,
sendo inferior para o plástico, e as temperaturas suportadas, não podendo ser muito elevadas nem
muito baixas [18].
Sendo o plástico um material viscoelástico, por combinar comportamentos elastoplástico e
comportamentos de líquidos altamente viscosos, a resposta mecânica do plástico é mais complexa
que nos metais. Nos plásticos a curva tensão-extensão não é linear, variando bastante com a
temperatura aplicada. Dependendo do coeficiente de expansão térmica e da capacidade de absorção
de água, pode ser provocada maior instabilidade na deformação da peça plástica em grande escala
dimensional [18].
No que diz respeito ao tipo de plástico aplicados em engrenagens, a maior parte são
termoplásticos. Destes, os dois mais comuns são a poliamida (PA), onde os nylons são os mais usados
e o primeiro plástico aplicado em engrenagens, e o poliacetal, também conhecido como polioximetileno
(POM). Ambos têm boa resistência ao desgaste e à fadiga, baixos coeficientes de atrito e resistência
a químicos. Quando comparados, o nylon absorve dez vezes mais água que o POM, o que aumenta o
ruído do funcionamento, reduz a eficiência na transmissão de potência e cria um efeito negativo na
resistência do material. Deste modo, o POM é favorável para ambientes que tenham humidade ou
50
envolvam o contacto com a água, como é o caso do produto do presente documento. Relacionando
ainda estes plásticos, o nylon tem melhores propriedades mecânicas, superando o POM em 20% na
resistência à tensão e flexão. Face ao exposto, o nylon é preferencial para aplicações com elevadas
forças envolventes [18].
Como já foi referido, a engenharia de engrenagens plásticas é bem mais complexa que a de
engrenagens metálicas. A escassez de estudos nesta área é a prova disso, não tendo sido ainda
reformuladas fórmulas de apoio ao desenvolvimento de engrenagens plásticas, como as já existentes
para metais. Em muitos casos, se forem inseridas especificações técnicas do plástico nas fórmulas
aplicáveis a metais, erros graves de dimensionamento poderão impedir o bom funcionamento da
engrenagem. No desenvolvimento das fórmulas para engrenagens metálicas foram feitas assunções
sobre o tipo de material, onde este tem um comportamento de elasticidade linear, o que não se verifica
na curva tensão-extensão dos plásticos [18].
Atualmente existe já software como o KISSsoft, dedicado ao estudo de engrenagens, que
começam a disponibilizar ferramentas de apoio ao desenvolvimento de engrenagens plásticas. O
KISSsoft, especificamente, já contém, nos cálculos do programa, métodos especiais para dimensionar
e otimizar engrenagens plásticas.
No presente trabalho, o software KISSsoft foi usado como ferramenta de apoio para a
modelação das engrenagens do NMSEC. Este programa tem inúmeros parâmetros por definir, pelo
que, para garantir um correto dimensionamento das engrenagens do NMSEC, foi usado um template
de engrenagem plástica correspondente à engrenagem a modelar. Neste template foram confirmados
parâmetros e seguidos alguns passos de tutoriais do KISSsoft [22][23]. De forma a completar o estudo
das engrenagens, foram alterados no software os seguintes parâmetros:
- Módulo;
- Número de dentes;
- Material;
- Roda motora;
- Sentido de rotação;
- Potência;
- Velocidade de rotação;
- Tipo de arestas dos dentes, arredondando-as.
De forma a obter uma aproximação dos valores a inserir no programa KISSsoft, foram usadas
fórmulas de engrenagens metálicas, para conseguir visualizar e dimensionar o NMSEC nos limites
estabelecidos, dentro do balde. Essas fórmulas são apresentadas abaixo, começando com as comuns
aos três tipos de engrenagem do NMSEC, seguindo-se as específicas para cada tipo.
Relação de transmissão total:
𝑖𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑖𝐼 × 𝑖𝐼𝐼 × 𝑖𝐼𝐼𝐼 (Equação 1)
Em que, iI é a relação de transmissão da engrenagem cónica, iII é a relação de transmissão da
engrenagem cilíndrica do 1º nível e iIII é a relação de transmissão do 2º nível.
51
Número de dentes:
𝑧 =𝐷
𝑀 (Equação 2)
Em que, D é o diâmetro primitivo e o M é o módulo.
Passo:
𝑝 = 𝜋 × 𝑀 (Equação 3)
Em que, M é o módulo. O módulo é normalizado e, seguidamente, o passo é recalculado.
Espessura do dente:
𝑠 = 0,5 × 𝑝 (Equação 4)
Em que, p é o passo.
Cremalheira e Pinhão:
Velocidade linear da cremalheira:
𝑣 =𝑥
𝑡 (Equação 5)
Em que, x é o comprimento útil e t é o tempo de atuação. Estes parâmetros são referentes à
cremalheira.
Número de dentes da cremalheira:
𝑧 =𝑥
𝑝 (Equação 6)
Em que, x é o comprimento útil da cremalheira e p é o passo.
Velocidade do pinhão:
𝑛 =𝜃
𝑡, em que 𝜃 =
𝑧1
𝑧2 (Equação 7)
Em que, é o ângulo de rotação do pinhão com o deslocamento total da cremalheira, t é o
tempo de atuação da cremalheira, z1 é o número de dentes da cremalheira e z2 é o número de dentes
do pinhão.
Engrenagem Cónica de dentes retos:
Relação de transmissão:
𝑖 =𝑧1
𝑧2=
sin 𝜃2
sin 𝜃1 (Equação 8)
Em que, D1 é o diâmetro primitivo da roda, D2 é o diâmetro primitivo do carreto, z1 é o número
de dentes da roda e z2 é o número de dentes do carreto. O somatório dos ângulos σ1 e σ2 é 90º.
52
Diâmetro da coroa:
𝐷𝑎 = 𝐷 + 2𝑀 × cos 𝜃 (Equação 9)
Em que, D é o diâmetro primitivo, M é o módulo e σ é ângulo primitivo.
Engrenagem Cilíndrica de dentes retos:
Relação de transmissão:
𝑖 =𝐷1
𝐷2=
𝑧1
𝑧2 (Equação 10)
Em que, D1 é o diâmetro primitivo da roda, D2 é o diâmetro primitivo do carreto, z1 é o número
de dentes da roda e z2 é o número de dentes do carreto.
Diâmetro da coroa:
𝐷𝑎 = 𝐷 + 2𝑀 (Equação 11)
Em que, D é o diâmetro primitivo, M é o módulo e σ é ângulo primitivo.
Inicialmente foi estudado o mecanismo com apenas um nível de engrenagens, no entanto,
após bastantes iterações, os melhores resultados não eram os desejados. No melhor resultado obtido,
o diâmetro da roda cónica era 84mm na vertical, mas o fator eliminativo desta primeira tentativa foi o
diâmetro de 168,75mm da roda cilíndrica na horizontal. Por isso, não foi possível organizar o
mecanismo dentro dos limites do balde e manter, em simultâneo, a centralização da cremalheira, com
a última roda do mecanismo e com o cesto. Perante este resultado, foi implementado um segundo
nível de engrenagens cilíndricas, com o objetivo de diminuir os diâmetros das rodas e desmultiplicar
melhor as velocidades e potências. A seguir, na figura 21, é representado o esquema das engrenagens
do NMSEC, e os respetivos dados na tabela 7.
Figura 21 - Esquema das engrenagens do NMSEC.
53
Tabela 7 - Especificações do sistema de engrenagens do NMSEC, calculadas pelas equações acima descritas.
x [mm]
t [s]
v [m/s]
D [mm]
Da [mm]
σ [º]
s [mm]
p [mm]
M z n
[RPM] M
[Nm] P
[W] i
Cremalheira 74 2 0,04 - - - 2 3,93 1,250 18 - - 1,5 1,0
Pinhão - - - 22,5 25,0 - 2 3,93 1,250 18 30 0,450 1,4 1,0
Roda Cónica - - - 50,0 51,7 62 2 3,93 1,250 40 30 1,000 3,1 1,9
Carreto Cónico - - - 26,7 24,3 28 2 3,93 1,250 21 56 0,533 3,1 1,9
Roda 1º nível - - - 90,0 92,5 - 2 3,93 1,250 72 56 1,800 10,6 4,0
Carreto 1º nível - - - 22,5 25,0 - 2 3,93 1,250 18 225 0,450 10,6 4,0
Roda 2º nível - - - 90,0 92,5 - 2 3,93 1,250 72 225 1,800 42,4 4,0
Carreto 2º nível - - - 22,5 25,0 - 2 3,93 1,250 18 900 0,450 42,4 4,0
Cesto - - - 160,0 - - - - - 900 3,200 301,6 -
Houve parâmetros da tabela 7 que foram assumidos logo de início para eliminar variáveis das
equações e conseguir obter resultados.
O primeiro parâmetro a ser definido é a velocidade final que o mecanismo tem que atingir. Este
é calculado com base no valor ideal da velocidade máxima a atingir, anteriormente definido nas
especificações, e com um diâmetro maior do cesto de 190mm.
Relativamente ao comprimento útil da cremalheira, quanto maior este for, mais dentes pode
ter a cremalheira, aplicando assim mais rotação inicial no mecanismo. No entanto, tendo em conta o
deslocamento do cesto no balde, considera-se que mais de 75mm implica uma altura elevada para as
dimensões do balde.
De forma a definir o melhor tempo de atuação do mecanismo definido na tabela 7, foi estimado
um valor com base na média do tempo de atuação dos conjuntos esfregona rotativa testados no
capítulo anterior. A tabela 18, com os correspondentes tempos de atuação, consta do Anexo 2. Aquele
valor foi acrescentada uma margem de segurança, pois foi considerado que a velocidade final se
alcança no primeiro impulso e pelo motivo do NMSEC não se assemelhar a nenhum dos outros.
Assumiu-se o valor da espessura igual à espessura correspondente do mecanismo do conjunto
esfregona rotativa da Vileda. Este também contém engrenagens plásticas no mecanismo de rotação e
é considerado um produto resistente e duradouro, produzido por uma das mais bem cotadas marcas
no mercado de produtos de limpeza.
Relacionando a espessura do dente com o número de dentes, o diâmetro do carreto e o
diâmetro do veio de suporte, considerou-se um diâmetro mínimo de 22,5mm, que corresponde a 18
dentes.
O curso máximo da cremalheira é o dobro do seu comprimento útil menos duas vezes o passo,
para garantir que esta não desengrena. A esta medida retirou-se ainda a espessura dos dois níveis de
engrenagens cilíndricas, mais folga para peças de suporte do mecanismo e, assim, assumiu-se um
diâmetro máximo da roda cónica de 90mm.
Foi também calculada uma potência de 42,6W necessária para rodar a esfregona molhada à
velocidade final definida nas especificações do produto. Para isso foi calculado o momento de inércia
do cesto e da esfregona molhada, assumindo um peso de 1,5kg e um raio de 160mm, raio médio dos
54
filamentos da esfregona. Analisando a potência de rotação atingida pelos filamentos no cesto,
apresentada na tabela 7, esta é sete vezes superior à primeiramente calculada.
Obtidos todos os parâmetros a alterar no KISSsoft, realizaram-se simulações para cada
engrenagem até serem corrigidos todos os erros, evitando ultrapassar fatores de segurança. Os
relatórios destas simulações são apresentados no Anexo 3.
Seguidamente apresenta-se a tabela 8, com as especificações das engrenagens corrigidas
para o plástico POM, e a figura 22, com as engrenagens geradas pelo KISSsoft, posteriormente
exportadas para serem adicionadas ao restante conjunto esfregona rotativo no software CAD.
Figura 22 - Cremalheira e pinhão, engrenagem cónica e engrenagem cilíndrica geradas no KISSsoft.
Tabela 8 - Especificações das engrenagens do NMSEC geradas pelo KISSsoft.
x [mm]
t [s]
v [m/s]
D [mm]
Da [mm]
σ [º]
s [mm]
p [mm]
M z n
[RPM] M
[Nm] P
[W] i
Cremalheira 74 2 0,04 - - - 2,36 4,71 1,500 18 - - 1,5 1,0
Pinhão - - - 27,0 30,2 - 2,45 4,71 1,500 18 30 0,446 1,4 1,0
Roda Cónica - - - 80,0 81,1 62 3,72 6,28 2,000 40 30 1,337 4,2 1,9
Carreto Cónico - - - 42,0 47,0 28 2,56 6,28 2,000 21 57 0,702 4,2 1,9
Roda 1º nível - - - 99,0 101,8 - 2,19 4,32 1,375 72 57 1,659 9,9 4,0
Carreto 1º nível - - - 24,8 28,5 - 2,53 4,32 1,375 18 228 0,415 9,9 4,0
Roda 2º nível - - - 99,0 101,8 - 2,19 4,32 1,375 72 228 1,659 39,6 4,0
Carreto 2º nível - - - 24,8 28,5 - 2,53 4,32 1,375 18 912 0,415 39,6 4,0
Cesto - - - 160,0 - - - - - 912 2,683 256,2 -
Analisando os dados da tabela 8, verificou-se que o diâmetro da roda cónica continua inferior
ao máximo anteriormente definido e que a potência de rotação atingida pelos filamentos no cesto
mantem-se superior à necessária, sendo seis vezes superior.
Concluídos os modelos das engrenagens plásticas do NMSEC, estes são exportados para o
software CAD, SolidWorks. Este software CAD dedicado à modelação de peças, foi usado para
desenvolver toda a geometria do conjunto esfregona rotativo, descrito no presente trabalho.
Aplicados os princípios do Design for Manufacturing and Assembly no desenvolvimento do
desenho do produto em estudo, foi definido que este é produzido por moldes de injeção plástica. Para
55
este processo de fabricação, foram selecionados moldes de abertura simples. Estes representam
menores custos de equipamento e menores tempos de ciclo, mantendo-se assim presente o objetivo
de produzir o produto com o custo de produção o mais reduzido possível. No entanto, este processo
de produção por moldes simples requer alguns cuidados no desenho das peças. Na figura 23 é
apresentada a peça base do NMSEC, sem as alterações necessárias para o seu fabrico por moldes
de abertura simples.
Figura 23 - Peça base do NMSEC, sem alterações à sua produção.
Na criação de peças para moldes simples deve-se evitar superfícies grandes totalmente
paralelas ao eixo de abertura do molde, facilitando que a peça se solte do molde. Assim, as maiores
superfícies verticais da peça da figura 23 foram redesenhadas com inclinação favorável à abertura do
molde. Também o balde e o cesto são exemplo de uma peça com superfícies verticais muito grandes,
o que foi considerado nos desenhos das suas geometrias.
Mantendo presente o princípio de desenhar o produto com o mínimo de peças possíveis,
muitas vezes é necessário dividir peças mais complexas em várias mais simples, para possibilitar a
abertura simples do molde. A proteção contra salpicos é uma das peças trabalhadas neste documento,
que surgiu por ser impossível produzi-la integral com o balde. Duas peças da pega trolley que encaixam
no balde também foram separadas, assim como a peça base do NMSEC. Esta foi dividida em seis
peças diferentes de forma a evitar a utilização de punções nos moldes, o que dificulta o processo de
moldagem, e também a facilitar a montagem do NMSEC. Todas as peças de suporte que surgiram
desta divisão são de fácil encaixe na base e entre elas, para que a montagem seja o mais rápido e
simples possível. As peças suporte têm também geometria muito simples para facilitar a maquinação
e funcionamento do respetivo molde. O modelo final desta peça, enquadrada com as peças de suporte
do NMSEC, a cremalheira, roda, jante, veios e parafusos, em vista explodida, é apresentada na figura
24.
56
Figura 24 - Peça base do NMSEC com as peças suporte deste, a cremalheira,
roda, jante, veios e parafusos, em vista explodida.
A cremalheira é também dividida em duas peças para que seja possível fabricar os seus dentes
e o furo onde encaixa o seu veio guia, integrado na peça base do NMSEC. Os dentes das engrenagens
do NMSEC são retos para também facilitar a construção dos moldes, evitando moldes rotativos.
A jante é também uma peça separada da roda, mas desta vez para permitir a fixação da roda
com apenas um anel de retenção, ficando este ponto protegido e tapado visualmente com a jante. O
detalhe do canto superior direito da figura 24, representa um método para criar os furos na peça base
do NMSEC que suportam o veio das rodas, sem inserir punções nos moldes. Este método foi aplicado
não só nesta peça, como também nos furos do balde, onde encaixa a pega central e a pega trolley.
Com o objetivo de diminuir o tempo de montagem do produto e, mais uma vez, evitar
acrescentar peças, estas devem ser unidas por encaixes e o seu posicionamento e geometria devem
respeitar a simplicidade dos moldes. A proteção contra salpicos, as jantes das rodas e a pega trolley
são peças unidas por encaixes, no entanto considerou-se importante a utilização de parafusos para a
fixação de peças de suporte envolventes no NMSEC, estando estas sujeitas a cargas.
A última alteração a fazer nas peças é a remoção de material excessivo, diminuindo
espessuras e cavando peças, desde que as cavidades resultantes estejam orientadas no sentido de
abertura do molde. Com esta alteração diminui-se o peso e, consequentemente, o custo das peças.
57
Para concluir as peças, é simulado o funcionamento do NMSEC, de forma a detetar e corrigir
todas as interferências entre peças. Seguidamente apresenta-se a tabela 9 com a lista das peças do
novo conjunto esfregona rotativa com as respetivas características.
Tabela 9 - lista das peças do novo conjunto esfregona rotativa com as respetivas características.
Designação Quantidade Material Peso [g] Balde 1 PP 1345,5
Cesto 1 PP 227,7
Travão cesto 1 POM 5,0
Proteção contra salpicos 1 PP 198,7
Pega central 1 PP 150,2
Pega trolley Cima 1 PP 33,7
Pega trolley Dentro 1 PP 30,0
Pega trolley Baixo 1 PP 32,0
Base da esfregona 1 PP 109,5
Suporte da peça rotativa da esfregona 1 PP 16,1
Peça rotativa da esfregona 1 PP 6,7
Peça encaixe do cabo 1 PP 15,6
Junção peça rotativa e peça encaixe M 1 PP 0,9
Junção peça rotativa e peça encaixe F 1 PP 0,9
Cremalheira 1 POM 19,0
Peça guia da cremalheira 1 POM 9,8
Pinhão e roda cónica 1 POM 121,8
Carreto cónico e Roda cilíndrica 1º nível 1 POM 86,0
Carreto cilíndrico 1º nível e roquete 1 POM 32,9
Trinco 4 POM 0,8
Roda cilíndrica 2º nível 1 POM 59,4
Carreto cilíndrico 2º nível e veio dentado 1 POM 41,8
Tampa suporte NMSEC 1 POM 102,9
Base NMSEC 1 POM 942,9
Peça suporte pinhão 1 POM 35,1
Peça suporte engrenagem cónica 1 POM 32,9
Peça suporte sistema roquete 1 POM 36,7
Peça suporte carreto cilíndrico 2º nível 1 POM 8,6
Roda 2 POM 97,6
Jante 2 POM 14,2
Veio das Rodas 1 Al 6061 28,4
Veio D10 x 95 1 Al 6061 20,1
Veio D10 x 77 1 Al 6061 16,3
Veio D10 x 54 1 Al 6061 11,4
Anel de retenção M6 2 Al 6061 0,1
Parafuso M4 x 16 11 Al 6061 0,8
Parafuso M4 x 10 2 Al 6061 0,2
Rebite M4 x 30 1 Al 6061 0,4
Esfera D7 1 Aço 1,4
Rolamento de esferas ISO 608-2Z 1 - 17,8
Rolamento de agulhas ISO NKI 20/20 1 - 6,0
Mola de compressão 1 Aço 5,0
Total 59 - 4045,3
58
4.2 Testes e prototipagem
Neste subcapítulo são apresentados e explicados todos os protótipos realizados para o
desenvolvimento do novo conjunto esfregona rotativa, terminando com a avaliação das especificações
finais do produto e respetiva análise.
No presente documento e considerados os objetivos da prototipagem, a comunicação e
integração dos professores e da Fapil nos protótipos foi fundamental para debater ideias para novos
protótipos melhorados. Este debate foi mantido durante todo o processo de prototipagem,
particularmente no final de cada alteração nos protótipos.
Começou-se por conceber protótipos analíticos, já que estes permitem perceber que
especificações e desenhos são exequíveis no produto.
O primeiro protótipo analítico é focado no dimensionamento das engrenagens plásticas
descritas no capítulo anterior. Este não se foca apenas em gerar a geometria das peças, mas também
no estudo das velocidades e potências do NMSEC. Com os cálculos e simulações feitas com o
KISSsoft foi possível fazer as engrenagens com as dimensões exatas que suportam as cargas e
velocidades envolventes no funcionamento do NMSEC.
Exportadas as engrenagens plásticas do KISSsoft para o software CAD SolidWorks, estas
juntam-se às restantes peças do novo conjunto esfregona rotativa, numa prototipagem analítica e
focada. Este protótipo é concebido por modelação 3D e tem o objetivo de conhecer as formas e
dimensões do conjunto, de forma a satisfazerem-se as necessidades estéticas do produto. Na figura
25 é apresentado o modelo final desenhado no SolidWorks.
Figura 25 - Modelo 3D do conjunto esfregona rotativa.
59
O SolidWorks ainda serviu de suporte a outro protótipo analítico, focalizado no funcionamento
do produto. Este consistiu na realização de simulações dinâmicas focadas no funcionamento do
NMSEC, com o objetivo de detetar e corrigir todas as interferências entre peças, e de posicionar a
pega central, de modo a centrá-la com o centro de massa do conjunto esfregona rotativa.
Partilhados e analisados os resultados com os membros da equipa de desenvolvimento de
produto, avançou-se para a prototipagem física, o que permitiu aperfeiçoar e confirmar o desenho e a
funcionalidade do produto. Este tipo de prototipagem evita também a passagem direta dos desenhos
para a fabricação dos moldes, evitando custos elevados exigidos para corrigir erros ou tornar a
redesenhar os moldes para o produto corrigido. Para os protótipos físicos impressos em 3D, foi usada
a ferramenta computacional CAM, pelo software Cura, de forma a programar a impressora 3D a
imprimir os modelos 3D desenhados no SolidWorks.
O primeiro protótipo físico é focado na verificação do funcionamento do NMSEC. Para o efeito,
foi apenas impresso em 3D o NMSEC à escala de ½, deixando peças como o balde por imprimir.
Assim, este protótipo é mais rápido e económico de produzir, visto que o importante é perceber o
funcionamento do NMSEC e que, apesar da impressão 3D ser considerada prototipagem rápida, o
tempo de produção da maioria das peças está na gama das horas. Ademais, como as tolerâncias das
peças impressas variam com o tipo de material usado, neste caso é Ácido Polilático (PLA), é
normalmente preciso o acerto dessas tolerâncias, de forma à peça impressa ter o mesmo
dimensionamento do modelo 3D anteriormente desenhado no SolidWorks. Na figura 26 é apresentado
este primeiro protótipo físico.
Figura 26 - NMSEC impresso em 3D à escala de ½.
Mais uma vez, após a partilha e análise dos resultados com os intervenientes no
desenvolvimento deste produto, confirmou-se que este protótipo valida o funcionamento do NMSEC.
No entanto, houve incidentes inesperados de atrito na última conexão. Com efeito, sem conectar o
cesto no NMSEC e acionando a cremalheira com um veio metálico exterior ao NMSEC, todas as
engrenagens plásticas trabalham corretamente, a uma velocidade aparentemente próxima à requerida
nas especificações ideais do produto. Se se tentar trabalhar este protótipo do NMSEC como é suposto,
60
o cesto não desliza corretamente sobre o veio dentado simples, travando assim todo o funcionamento
do NMSEC. Devido às dimensões reduzidas das peças e ao facto de estar integrado nas mesmas um
sistema de engrenagens, considerou-se que os atritos poderiam estar relacionados com a fraca
qualidade da impressão 3D em certas superfícies, pois a deposição de filamento camada a camada
impossibilita que a maioria das superfícies tenham rugosidade muito baixa. Para tentar corrigir estes
atritos entre peças presentes no funcionamento, prosseguiu-se com o polimento das superfícies mais
rugosas e das peças críticas do funcionamento, com o apoio de ferramentas como limas e lixas. Posto
o protótipo outra vez à prova, os atritos continuavam presentes, apesar de estarem menos ativos.
Partilhados os resultados e discutidas ideias com os membros da equipa de desenvolvimento
de produto, concluiu-se que os problemas de atrito podiam ser resolvidos com um novo protótipo à
escala real. Nesta nova versão, o dimensionamento das peças é o estudado de forma a permitir a
aplicação de cargas reais envolventes no produto, diminuir o risco de defeitos no toleranciamento e
diminuir o risco de atritos provocados pelas superfícies rugosas, já que as peças estarão mais
distanciadas umas das outras, havendo apenas contacto onde é suposto que exista.
Este novo protótipo físico é definido como abrangente, pois sendo impresso em 3D à escala
real, corresponde a uma aproximação bem clara do produto final, sendo analisados parâmetros como
a aparência do produto e o funcionamento de todos os componentes. É de notar que, para este
protótipo, foram despendidas longas horas de impressão 3D, levando mais de um mês a imprimir a
totalidade do conjunto esfregona rotativa. O tempo normal de impressão está na origem desta demora,
mas também as falhas ocorridas durante impressões concorrem para essa demora. Para se ter uma
noção mais clara deste problema, a peça balde exigiu a sua produção numa impressora 3D de grandes
dimensões e só ficou concluída com sucesso à terceira tentativa. Só a peça balde necessita de quase
7kg de material em filamento e de 4 dias consecutivos de impressão. Devido às exigências
dimensionais deste protótipo, este foi impresso pela Blocks, empresa dedicada ao desenvolvimento e
produção de impressoras 3D. Na figura 27 é representado a peça balde impressa em 3D, ainda com
alguns dos suportes de impressão.
Figura 27 - Peça balde impressa em 3D à escala real.
61
Muitas vezes, a necessidade de imprimir peças com estes suportes constitui outra das causas
do elevado tempo de impressão. No entanto, há suportes que são inevitáveis.
Esta peça balde ainda sofreu um processo de impermeabilização, para que possa ser testado
com água. Caso contrário, por ser impresso em 3D, pode conter pequenas falhas entre camadas de
PLA depositadas umas sobre as outras, tornando-o permeável.
Na figura 28 é apresentado o protótipo completo do novo conjunto esfregona rotativa. Apenas
o cabo representado na figura não foi impresso, tendo sido cedido pela Fapil, de forma a confirmar a
rosca universal desenhada para o novo produto.
Figura 28 - Novo conjunto esfregona rotativa impresso em 3D à escala real, onde na imagem superior esquerda é focado o NMSEC e na imagem superior direita está também representado o NMSEC impresso em 3D à escala
½.
Após nova partilha e análise dos resultados com os intervenientes no desenvolvimento deste
produto, foi concluído que o balde está sobredimensionado, necessitando de futuros melhoramentos
de design, de modo a assemelhar-se o seu tamanho ao dos outros conjuntos de esfregona rotativa do
mercado. A pega central também está demasiado alta quando ativa, o que será alterado com o
redimensionamento do balde. Este irá alterar o centro de massa do novo conjunto esfregona rotativa
que, consequentemente, obrigará a uma nova centralização da pega no conjunto, diminuindo assim o
seu comprimento.
62
O funcionamento do NMSEC é novamente validado e, desta vez, atuando o mecanismo
corretamente. No entanto, os atritos provocados pela última conexão do NMSEC não sofreram grandes
alterações, mas agora fizeram abrandar ou chegaram mesmo a travar o mecanismo. Após conclusão
do processo de polimento semelhante ao aplicado no protótipo anterior, os atritos continuaram
presentes mas tornaram-se novamente mais fracos.
Primeiramente, na seleção de conceitos, considerou-se que o veio livre era a opção
preferencial a aplicar na rotação da esfregona, assumindo como prioridade a simplicidade do
mecanismo e o baixo custo de produção. Contudo, após a realização deste protótipo, constatou-se que
a redução dos atritos nesta conexão é inevitável, sendo necessário o uso de um rolamento. No entanto
e apesar desta alteração, os atritos no mecanismo mantiveram-se, não obstante continuar a ser
indispensável juntar este rolamento.
Analisados novamente os problemas de atrito e como o NMSEC apenas funciona corretamente
se a peça carreto cilíndrico do 2º nível e integral com o veio dentado simples estiver centralizada com
o sistema de engrenagens e com o cesto, concluiu-se que a origem do problema poderá estar nessa
centralização. Verificou-se que existem várias folgas no mecanismo, no entanto estas existem com o
propósito de dar leveza ao seu funcionamento. Assim, conclui-se que há vários pontos onde é possível
eliminar folgas de modo a manter a centralização da peça em questão.
Decidiu-se, então, por começar em alterar a peça suporte da peça a centralizar, com a criação
de três protótipos físicos focados nos atritos desta conexão. Assim, no primeiro protótipo foi diminuído
o diâmetro interior da peça suporte, de forma a diminuir a folga desta conexão e incrementar a área de
contacto entre as duas, aumentando a altura da peça suporte. Seguidamente, foi acrescentado no
segundo protótipo um rolamento de agulhas, na ligação entre a peça a centralizar e a sua peça suporte.
E no último, foi modificado o material da peça suporte para um metal, de forma a experienciar o efeito
de um material de superfícies de rugosidades muito baixas. Este último protótipo foi maquinado, ao
contrário dos outros que se mantiveram na produção por impressão 3D. Na figura 29 são apresentados
estes três protótipos, por ordem sequencial.
Figura 29 - Protótipos da peça suporte da peça carreto cilíndrico do 2º nível e integral com o veio dentado simples, ordenados por ordem cronológica, da esquerda para a direita, começando pelo correspondente ao
protótipo do produto completo.
Analisados os protótipos, apenas o correspondente ao acrescento do rolamento apresenta
melhorias, mas somente na centralização da peça carreto cilíndrico do 2º nível e integral com o veio
dentado simples. Relativamente ao funcionamento do NMSEC, continuam presentes atritos os quais
não diminuíram com a introdução do rolamento. No entanto, observou-se um esmagamento no veio
da cremalheira, na zona de contacto com a esfera, provavelmente resultante das elevadas cargas
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aplicadas durante os testes. O mesmo se observou no veio atuante embutido no cesto. Estes defeitos
podem também ser uma das causas dos atritos notados.
Observando novamente o funcionamento do NMSEC, mas em pormenor para a conexão entre
a peça do veio dentado simples e o encaixe inverso embutido no cesto, existe um movimento
translacional provocado pelo movimento descendente do cesto, e em simultâneo, um movimento
rotacional provocado pelo mecanismo, que exerce carga rotacional no veio dentado simples. A
simultaneidade destes movimentos com carga exercida pode ser a causa dos atritos que impedem o
bom funcionamento do mecanismo. Assim, foram propostos mais quatro novos protótipos, focados
nesta conexão, e a alteração do material de PLA para nylon, de forma a usar um plástico com menos
coeficiente de atrito. Não foi usado o POM, por não ser um material muito usado em impressão 3D,
comparativamente com o nylon.
Primeiramente, foi acrescentada no modelo 3D CAD uma cavidade de apoio à esfera no veio
atuador do mecanismo, localizado no meio do encaixe do cesto com o veio dentado simples, e no veio
integral à cremalheira. A adição desta cavidade tem como objetivo auxiliar a centralização dos veios
em contacto com a esfera.
Estes novos protótipos são compostos por duas peças, em que uma é o carreto cilíndrico do
2º nível e integral com o veio dentado, e a outra é parte do cesto, composto pelo encaixe inverso do
veio dentado e pelo encaixe da base da esfregona. Todas as alterações feitas no veio dentado serão
espelhadas no respetivo encaixe embutido no cesto. No primeiro protótipo foram suavizados os cantos
dos entalhes transmissores de rotação, do veio dentado simples. O segundo é semelhante ao primeiro,
no entanto o curso do entalhe do veio dentado é em forma de rosca, efetuando apenas um quarto de
rotação em torno do veio. Esta modificação tem como objetivo suavizar o primeiro impacto no
mecanismo, facilitando a rotação inicial. O protótipo seguinte já apresenta algumas alterações em
relação aos outros, onde o veio atuante do cesto está fixo e totalmente apoiado, de forma a atuar o
veio da cremalheira sempre na mesma posição. O último protótipo é semelhante ao terceiro, no entanto
é também roscado como o segundo protótipo. Na figura 30 são apresentados os diferentes protótipos,
por ordem sequencial.
Figura 30 - Protótipos da peça carreto cilíndrico do 2º nível e integral com o veio dentado, e respetivo encaixe pertencente ao cesto, por ordem cronológica, da esquerda para a direita.
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Depois de analisados os novos protótipos, verificou-se que a solução do dentado roscado é
claramente melhor que o simples, pois impulsiona a rotação no movimento translacional. E a
suavização dos cantos do entalhe facilitaram também o deslizamento da peça correspondente ao
cesto. No entanto continuam a haver atritos que não deixam o mecanismo fluir. O terceiro e quarto
protótipos não são viáveis, pois a abertura criada no veio dentado fragiliza-os e, além disso, não
apresentam melhorias significativas relativamente ao veio dentado simples.
Mais uma vez, sendo os protótipos todos impressos em 3D, as superfícies das suas peças têm
algumas rugosidades nas suas superfícies, originando assim atritos entre peças. Apesar de ter sido
aplicado o mesmo tipo de polimento dos outros protótipos, as peças continuam sem se assemelhar a
peças produzidas por injeção plástica e o encaixe do veio dentado embutido no cesto é impossível de
polir com ferramentas, como limas ou lixas, devido a limitações de espaço na peça. Assim foi aplicada
uma camada de spray seco de teflon em todas as superfícies, de modo a suavizá-las ao máximo, já
que este é o lubrificante com melhores características para este caso. Este é o plástico menos
aderente, não acumula sujidade por não ser peganhento e não é removível com água. Foi escolhida a
aplicação em spray, de forma a alcançar todas as superfícies, mesmo as mais escondidas.
Após esta solução ser testada, os atritos diminuíram novamente, no entanto o NMSEC
continua sem um funcionamento fluído. Assim, concluiu-se que estes atritos podem não estar
relacionados com as imperfeições da impressão 3D. Contudo, só com peças produzidas por moldes é
que se consegue produzir esta afirmação com absoluta certeza. Os moldes de silicone são uma boa
opção para poucas tiragens de peças e com custos de equipamento inferiores aos moldes metálicos
mais comuns.
Reanalisados os atritos do mecanismo, descobriu-se que podem estar relacionados com o
contacto entre o veio da cremalheira e as paredes interiores da peça carreto cilíndrico do 2º nível e
integral com o veio dentado. Assim, foi proposto e estudado o último protótipo deste documento, que
consiste em limitar o movimento lateral do veio da cremalheira por intermédio de um anel acrescentado
à peça tampa suporte do NMSEC. Na figura 31 é apresentado este último protótipo e a respetiva peça
do protótipo abrangente do conjunto.
Figura 31 - Protótipo impresso em 3D da peça tampa suporte do NMSEC, com o acrescento do anel limitador do movimento lateral do veio da cremalheira. A peça da esquerda é a correspondente do protótipo abrangente do conjunto sem a alteração do anel limitador.
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O acrescento do anel limitador não apresentou nenhuma melhoria relevante, apesar de fazer
sentido implementá-lo, já que não acrescenta complexidade na produção da peça e o movimento do
veio da cremalheira é limitado e apoiado.
Avaliando o novo conjunto esfregona rotativa com as especificações ideias delineadas no
capítulo do desenvolvimento do conceito, apenas o peso do balde é relevante, já que é impossível
testar o funcionamento do NMSEC, de forma a comparar com os produtos concorrentes. Relativamente
ao peso do balde cheio, este é bem superior ao espectado, sendo que o conjunto esfregona rotativa
sem água pesa sensivelmente 4kg, mas a quantidade de água que enche o balde, acrescenta mais
8kg à soma total. Esta discrepância é justificada pelo erro cometido no dimensionamento do balde, o
qual suporta demasiada água. Este erro foi cometido devido a limitações de altura do balde, ao
deslocamento do cesto necessário para o acionamento do NMSEC e por se tentar fazer um design
oval atrativo ao cliente, num balde já grande por si só.
5. Custos de produção
Neste capítulo são contabilizados e comparados os custos de produção do conjunto esfregona
rotativa. Primeiramente, são apurados os custos associados ao processo de moldagem, como os
custos dos materiais e da aquisição dos moldes, seguindo-se os custos da montagem do produto. Por
último, são realizadas análises de sensibilidade, tendo em consideração o volume de produção e
alternativas para a construção dos moldes. Uma vez que a produção do produto será levada a efeito
pela própria Fapil, todos os dados utilizados na análise de custos foram disponibilizados pela mesma.
5.1 Custo do processo de injeção
Neste subcapítulo são apresentadas as fórmulas de cálculo e os valores referentes aos custos
envolvidos no processo de injeção do conjunto esfregona rotativa. Estes custos são subdivididos nos
seguintes pontos:
Matéria-prima;
Ferramentas (moldes);
Equipamento (máquinas de injeção);
Energia;
Mão-de-obra;
Setup;
Processo de trituração.
As fórmulas e dados usados para o cálculo dos custos de produção do conjunto esfregona
rotativa resultam da consulta de referências bibliográficas e de informação cedida pela Fapil.
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Custo da matéria-prima por produto:
𝐶𝑚𝑝 = (1 − 𝑚) × 𝐶𝑝𝑜𝑙 + 𝑚 × 𝐶𝑐𝑜𝑟 (Equação 12)
Onde, m é a percentagem de corante na mistura (3%), Cpol o custo do polímero (1,25€/kg para
peças de PP e 1,5€/Kg para peças de POM) e Ccor o custo do corante (5€/kg). Neste documento
considera-se que todo o desperdício da matéria-prima é reutilizado no processo de trituração, não
havendo, assim, perdas de material no processo de injeção.
Custo da ferramenta (moldes):
Para determinar o custo de aquisição dos moldes, foi solicitado à Fapil o orçamento de várias tipologias
de moldes.
Na determinação dos vários orçamentos foram tidas em consideração a geometria dos
componentes a produzir, o número de peças por molde, o número de cavidades, o sistema de
alimentação, o número de pontos de injeção e tempos de ciclo de cada molde. Na tabela 10 estão
apresentados os valores orçamentados e a máquina de injeção correspondente a cada molde.
Tabela 10 - Tabela com as especificações dos moldes para as diferentes peças.
Componentes
Nº peças iguais
por molde
Tipologia do molde
Nº pontos de injeção
Máquina de injeção
Tempo de ciclo
[s]
Custo de aquisição
[€]
Balde 1 1Q 4 600T 30 60 000
Cesto 1 1F 1 300T 20 30 000
Proteção contra salpicos 1 1Q 2 300T 20 30 000
Pega central 2 2Q 2 300T 20 25 000
Base NMSEC 1 1Q 2 300T 20 30 000
Pega trolley 1 3F 3 150T 15 20 000
Base da esfregona 2 2Q 2 300T 20 17 000
Fixador dos encaixes do cabo na base da esfregona
6 6Q 6 150T 20 18 000
Encaixes do cabo 4 16F 16 150T 60 20 000
Rodas e tampa suporte do NMSEC 1 5F 5 150T 20 12 000
Engrenagens e peças suporte do NMSEC 1 14Q 14 300T 60 80 000
Custo hora do equipamento (máquina de injeção):
𝐶𝑚𝑖 =𝐶𝑎𝑚𝑖
(𝑑𝑎𝑛𝑜×ℎ𝑑𝑖𝑎)× [
𝑖×(1+𝑖)𝑛
(1+𝑖)𝑛−1] (Equação 14)
Onde, Cami é o custo de aquisição da máquina de injeção, i o custo de oportunidade (15%), n
a vida útil do equipamento (8 anos), dano os dias de funcionamento da máquina de injeção por ano
(252, sendo este a média de dias úteis dos próximos 8 anos [24], multiplicado pelos 12 meses de
trabalho) e hdia o número de horas diárias de funcionamento da máquina (21h), considerando por turno
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1 hora não produtiva. Atualmente a secção de injeção da empresa Fapil funciona a três turnos de
trabalho, cada um de 8 horas diárias, 5 dias por semana e 12 meses por ano.
Seguidamente é apresentada a tabela 11 com as três máquinas de injeção responsáveis pela
produção do conjunto esfregona rotativa, especificando a tipologia da máquina, a potência e o custo
de aquisição.
Tabela 11 - Máquinas de injeção usadas na produção do conjunto esfregona rotativa.
Tipologia da máquina de injeção
Potência [KW]
Custo de aquisição [€]
600T 110 280 000
300T 55 150 000
150T 40 90 000
Custo hora da energia:
𝐶𝑒𝑚𝑖 = 𝑃𝑜𝑡𝑚𝑖 × 𝑃𝑟𝑒 (Equação 15)
Onde, Potmi é a potência da máquina de injeção (representada na tabela 11) e Pre o preço da
energia solicitado à rede elétrica (0,105€/kWh).
Custo por setup:
𝐶𝑠𝑒𝑡𝑢𝑝 = (𝐶𝑚𝑖 + 𝐶𝑚𝑜) × 𝑡𝑠𝑒𝑡𝑢𝑝 (Equação 16)
Onde, Cmi é o custo hora da máquina de injeção (€/h), Cmo o custo hora da mão-de-obra (€/h)
e tsetup o tempo de setup (30min). Este último é constituído pelo tempo de mudança de molde e pelo
tempo necessário para afinar o processo de injeção. Considera-se ainda que todas as peças
produzidas durante a afinação do processo de injeção apresentam defeito, sendo por isso reutilizadas
a partir do processo de trituração.
Custo hora da mão-de-obra:
𝐶𝑚ã𝑜−𝑑𝑒−𝑜𝑏𝑟𝑎 =𝑁𝑆×𝑆𝑚×𝐶𝑆+11×𝑆𝑎
𝑑𝑎𝑛𝑜×ℎ𝑑𝑖𝑎×𝑓𝑝 (Equação 13)
Onde, NS é o número de salários anuais (14), S
m o salário bruto mensal do operador (600€),
CS os custos sociais da Fapil (23,75%), Sa o subsídio de alimentação mensal (100€), dano os dias de
trabalho por ano (231, sendo este a média de dias úteis dos próximos 8 anos [24], multiplicado por 11
meses de trabalho), hdia o número de horas de trabalho diárias (8h) e fp o fator de produtividade do
operador (90%). Para controlar as três máquinas de injeção, que operaram todos os moldes do
conjunto esfregona rotativa, são considerados três operadores a 100% de ocupação.
68
Custo hora do processo de trituração:
𝐶𝑡𝑟𝑖𝑡 = 𝐶𝑚𝑡𝑟𝑖𝑡 + 𝐶𝑒𝑚𝑡𝑟𝑖𝑡 + 𝐶𝑚𝑜 (Equação 17)
Onde, Cmtrit é o custo hora da máquina de trituração (€/h), Cemtrit o custo hora da energia da
máquina de trituração (€/h) e Cmo o custo hora da mão-de-obra (€/h, igual ao calculado anteriormente).
Foi usada a equação 14 do Cmi para calcular o Cmtrit. Neste cálculo foi considerado o custo de aquisição
da máquina de trituração de 15 000€, o custo de oportunidade (i) de 15%, vida útil do equipamento (n)
de 20 anos, os dias de funcionamento da máquina de trituração por ano de 252 dias e o número de
horas diárias de funcionamento da máquina de trituração de 1 hora. Também o custo hora da energia
da máquina de trituração foi calculado como anteriormente, com a equação 15 do custo hora da energia
da máquina de injeção. A potência total da máquina de trituração da empresa Fapil é 10kW e tem uma
capacidade de 200Kg/h. Considera-se ainda que a matéria-prima triturada corresponde a 1% da
utilizada cada produto.
Na tabela 12 são resumidos os valores determinados para os diferentes fatores de custo.
Tabela 12 - Valores dos fatores de custo do processo de injeção.
5.2 Custo da montagem do conjunto
𝐶𝑚𝑜𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚 = 𝐶𝑚𝑜 × 𝑡𝑚𝑜𝑛𝑡𝑎𝑔𝑒𝑚 (Equação 18)
Onde, Cmo o custo hora da mão-de-obra (€/h, igual ao calculado anteriormente) e tmontagem o tempo para
a montagem de um conjunto esfregona rotativa (4 minutos). Considera-se ainda um tempo de 30
segundos para o embalamento do conjunto. Obtém-se, assim, um custo total de 0,518 € por produto.
Fatores de custo Valores
Matéria-prima PP [€/kg] 1,36
Matéria-prima POM [€/kg] 1,61
Mão-de-obra [€/h] 6,91
Máquina de injeção 600T [€/h] 11,79
Máquina de injeção 300T [€/h] 6,32
Máquina de injeção 150T [€/h] 3,79
Energia 600T [€/h] 11,55
Energia 300T [€/h] 5,78
Energia 150T [€/h] 4,20
Setup 600T [€] 9,35
Setup 300T [€] 6,61
Setup 150T [€] 5,35
Trituração [€/h] 17,47
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5.3 Custos de produção do produto
No apuramento dos custos de produção do produto foi considerado um volume de produção
anual de 200 000 unidades do conjunto esfregona rotativa, produzidos em lotes de 20 000 unidades.
Para o tempo de ciclo do produto foi contabilizada a soma dos tempos de ciclo das peças fabricadas
pela máquina de injeção 300T, já que, em relação às outras máquinas, é a mais utilizada e tem uma
soma de tempos de ciclo maiores. Seguidamente, apresenta-se a tabela 13 com os custos de produção
por produto.
Tabela 13 - Custos de produção por produto para um volume de produção anual de 200 000 produtos,
Três turnos de 7h e três máquinas de injeção, sendo cada uma de 600T, 300T e 150T.
Tempo de ciclo
[s]
Custo Máquina
[€]
Custo Energia
[€]
Mão-de- -obra
[€]
Custo de Setup
[€]
Processo de trituração
[€]
Matéria- -prima
[€]
Custo moldes
[€]
Custo Total
[€]
Produto 140 0,402 0,385 0,431 0,004 0,003 5,597 0,342 7,163
5.4 Análise de sensibilidade
Neste subcapítulo são analisados os custos de produção do produto para diferentes volumes
de produção, variando a quantidade de máquinas de injeção de 300T utilizadas para operar os moldes.
É também realizada uma análise de sensibilidade aos custos de produção por produto para três
alternativas do conjunto de moldes, que produzem o conjunto esfregona rotativa. Por fim, é analisado
o custo/benefício da adição de um molde para a peça carreto cilíndrico 2º nível e veio dentado roscado,
pois caso esta seja implementada no conjunto esfregona rotativa, necessitará de ser produzida por um
molde rotativo exclusivo à mesma.
Análise de sensibilidade ao volume de produção
O objetivo da Fapil é ter um volume de produção anual de 200 000 unidades. No entanto, este
valor ultrapassa o volume de produção anual máximo, utilizando três máquinas de injeção com um
tempo de ciclo de 140 segundos. Foi então analisado o tempo de ciclo do produto, concluindo-se que
apenas o número de máquinas de injeção 300T afeta o tempo de ciclo total do produto. Assim, é
proposto neste estudo a utilização de quatro e cinco máquinas de injeção para a produção do produto,
o que diminuiria o tempo de ciclo total do produto para 70 e 60 segundos, respetivamente. As quatro
máquinas são divididas numa de 600T, duas de 300T e outra de 150T. As cinco máquinas são divididas
numa de 600T, três de 300T e outra de 150T.
Os resultados são apresentados na figura 32, com a variação do custo de produção do produto
em função do volume de produção. Nesta figura são também assinalados os volumes de produção
anuais máximos pelas linhas verticais, com as respetivas cores a corresponder à quantidade de
máquinas de injeção de 300T.
70
Figura 32 - Variação do custo de produção do produto em função do volume de produção.
Pela análise da figura 32, conclui-se que a utilização de duas máquinas de injeção de 300T é
a melhor opção para o volume de produção anual de 200 000 produtos pretendido pela Fapil. Caso
pretenda atingir um volume de produção anual superior a 270 767 produtos, tem de acrescentar uma
terceira máquina de injeção de 300T. Se o volume de produção anual for superior a 317 044 produtos,
será necessário acrescentar uma quarta máquina de injeção de 300T e outra de 150T. Se a Fapil
decidir produzir quantidades inferiores a 135 557 produtos, testando o produto no mercado com menos
investimento e risco associado, pode manter-se na utilização de uma máquina de injeção de cada tipo,
600T, 300T e 150T.
Na tabela 14 são apresentados os custos de produção do produto para vários volumes de
produção anuais, referentes à opção das quatro máquinas de injeção.
Tabela 14 - Custos de produção do produto para vários volumes de produção anuais, para a utilização de quatro máquinas de injeção.
Volume de produção anual [produto]
135 557 150 000 175 000 200 000 225 000 250 000 270 767
Custo de produção do produto [€]
7,330 7,280 7,213 7,163 7,124 7,093 7,071
Pela análise da tabela 14 conclui-se que, para o volume de produção anual objetivado pela
Fapil, o custo de produção do produto é de 7,163€. Também se conclui que, com a utilização de quatro
máquinas de injeção (duas de 300T), o volume de produção anual máxima é de 270 767 produtos,
com um custo de produção correspondente de 7,071€.
6.900
7.000
7.100
7.200
7.300
7.400
7.500
7.600
7.700
7.800
50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000
Cu
sto
s d
e p
rod
uçã
o p
or
pro
du
to [
€]
Volume de produção anual [produto]
Variação do custo de produção do produto em função do volume de produção
3 Máquinas de injeção
4 Máquinas de injeção
5 Máquinas de injeção
71
Análise de sensibilidade às alternativas de moldes
Neste ponto são analisadas três alternativas para produzir o conjunto de moldes que produzem
o conjunto esfregona rotativa e a adição de um molde para a peça carreto cilíndrico 2º nível e veio
dentado roscado, caso seja implementado no conjunto esfregona rotativa. A primeira alternativa
corresponde ao conjunto de moldes representados na tabela 10. Para as outras duas alternativas,
altera-se apenas dois últimos moldes da tabela 10, que correspondem ao molde das rodas e da tampa
suporte do NMSEC, e ao molde das engrenagens e das peças suporte do NMSEC. Os moldes que
substituem apresentam-se na tabela 15, respetivamente para cada alternativa.
Tabela 15 - Moldes da segunda e terceira alternativas, a alterar na primeira alternativa.
Componentes Nº peças
iguais por molde
Tipologia do molde
Nº pontos de injeção
Máquina de
injeção
Tempo de ciclo [s]
Custo de aquisição
[€]
2ª
alt
ern
ati
va
Rodas e tampa suporte do NMSEC
4 20F 20 300T 50 30 000
Engrenagens e peças suporte do NMSEC
separadas em 12 moldes 4 4F 4 300T 30 25 000
3ª
alt
ern
ati
va
Rodas e peças suporte do NMSEC
1 10F 10 150T 30 30 000
Engrenagens do NMSEC 1 9F 9 300T 60 50 000
A segunda alternativa consiste na fabricação de mais peças iguais por molde, separando as
engrenagens e as peças suporte do NMSEC por doze moldes diferentes, equilibrando melhor cada
molde e, por isso, possibilita melhores resultados finais nas peças. No entanto, acrescentando tantos
moldes no processo de produção, aumenta os custos da ferramenta e implica a utilização de cinco
máquinas de injeção de 300T. Só desta forma são atingidos os tempos de ciclo do produto, capazes
de atingir o volume de produção anual, estipulado anteriormente.
A terceira alternativa é similar à primeira, com a diferença de se juntar todas as engrenagens
num molde e as peças de suporte noutro, juntamente com as Rodas.
Na tabela 16 são apresentados os custos de produção por produto para cada alternativa,
variando com o volume de produção anual, e o custo total dos moldes para cada alternativa.
Tabela 16 - Custos de produção por produto para cada alternativa, variando com
o volume de produção anual, e o custo total dos moldes para cada alternativa.
Volume de produção
anual [produto]
75 000
100 000
125 000
150 000
175 000
200 000
225 000
250 000
270 767
Custo total dos
moldes [€]
Custos de produção
por produto [€]
1ª alternativa
7,747 7,514 7,373 7,280 7,213 7,163 7,124 7,093 7,071 342 000
2ª alternativa
8,692 8,296 8,059 7,900 7,787 7,702 7,636 7,584 7,547 580 000
3ª alternativa
7,704 7,514 7,343 7,253 7,188 7,140 7,102 7,072 7,051 330 000
72
Analisando a tabela 16, a terceira alternativa revela-se ser a mais económica, tanto no custo
total dos moldes, como no custo de produção por produto. Contudo, a primeira alternativa apresenta
valores muito próximos da terceira, sendo que para uma escolha mais assertiva, seria preciso um
estudo focado do processo de produção por moldes de injeção plástica. A segunda alternativa só será
aplicada se o estudo dos moldes o exigir, pois, de outra forma, apenas acresce custos ao produto.
Relativamente à possível adição de um molde para a peça carreto cilíndrico 2º nível e veio
dentado roscado, apresenta-se na tabela 17 as características do molde, o custo acrescentado no
produto e o custo total do produto com esta peça, para um volume de produção anual de 200 000
produtos. Foram consideradas oito peças iguais por molde, de forma a rentabilizar o tempo de ciclo e
o custo do molde.
Tabela 17 - Características do molde, o custo acrescentado no produto e o custo total do produto com a peça carreto cilíndrico 2º nível e veio dentado roscado, para um volume de produção anual de 200 000 produtos.
Componentes Nº peças
iguais por molde
Tipologia do molde
Nº pontos
de injeção
Máquina de
injeção
Tempo de ciclo
[s]
Custo de aquisição
[€]
Custo acrescentado
no produto [€]
Custo total do produto
[€]
Molde rotativo
carreto cilíndrico 2º nível e veio
dentado roscado
8 8Q 8 300T 50 30 000 0,064 7,227
Analisando o custo acrescentado no produto, este é pouco relevante face ao custo total do
produto, mesmo reduzindo a quantidade de material do produto. Concluindo-se, assim, que esta peça
provavelmente será implementada no produto, pelas melhorias registadas no capítulo 4.2, dos Testes
e Prototipagem, serem suficientemente relevantes para o custo acrescentado no produto.
6. Análise Global
A Fapil – Indústria, S.A., integra o sector da indústria transformadora, produzindo e
comercializando produtos de utilidade doméstica que auxiliam na higiene e limpeza da casa,
tratamento da roupa e arrumação do lar.
Possui elevada capacidade produtiva, procurando racionalizar os meios que tem à disposição,
não desperdiçando recursos em áreas que ainda não estão suficientemente sustentadas. É o caso do
desenvolvimento do produto objeto deste trabalho em que a Fapil, através do estabelecimento de
parcerias com universidades, procura atingir um duplo objetivo, a saber:
1. Cumprir o desígnio de inovar permanentemente, pois a inovação é considerada um fator-chave
para o sucesso da empresa;
2. Contornar a falta de recursos para o desenvolvimento de produto.
A Fapil foi, portanto, a impulsionadora deste trabalho, começando por nos apresentar uma
espécie de caderno de encargos em que a partir do produto existente – esfregona rotativa – solicitou
73
o desenvolvimento desse produto no sentido de se produzir e comercializar uma esfregona similar a
custos inferiores, especialmente no mecanismo de secagem.
Naturalmente, iniciou-se o trabalho pela identificação das necessidades, o que foi conseguido
com sucesso, por recurso a entrevistas de grupo, com o manuseamento de vários tipos de esfregonas
e aos utilizadores líder, os quais foram corretamente selecionados. Desta forma foi possível recolher a
informação necessária para se perceber quais as necessidades mais relevantes para o cliente.
Para se poder avaliar o produto em função das necessidades foi preciso criar métricas. Trata-
se duma tarefa desafiante, pois as necessidades têm que ser todas traduzidas preferencialmente para
unidades, visto que todas têm de ser mensuráveis.
Neste estudo, com a relevante interação com a Fapil, foi possível avaliar e testar vários
produtos já existentes no mercado, cobrindo a maior parte dos mecanismos de rotação das esfregonas,
recolhendo, assim, as principais características de uma esfregona rotativa.
Mercê dos critérios utilizados nos testes, designadamente a diversidade de produtos
observados, com as mesmas caraterísticas, e a imparcialidade na sua utilização, foi possível
estabelecer comparações fidedignas.
Analisando as especificações mais relevantes para o funcionamento do mecanismo de
secagem da esfregona, constatou-se que a medição da percentagem de água nos filamentos (métrica
1) e a medição da força máxima aplicada na esfregona (métrica 5), foram corretamente executadas,
obtendo-se valores rigorosos (não estimados). As velocidades de rotação da esfregona (métricas 2 e
3) foram mais difíceis de medir devido às elevadas velocidades que atingiam. Por isso, para estas
especificações o valor foi estabelecido com base na média de três medições.
Conclui-se, assim, que a avaliação das especificações mais relevantes para o funcionamento
do produto foi bem-sucedida e os valores estão próximos da realidade. Esta conclusão sai reforçada
porque os valores atribuídos às especificações dos produtos concorrentes foram obtidos em função
dos testes efetivamente realizados e não da mera leitura dos catálogos disponíveis, pois não é
incomum haver desatualização dos mesmos.
Com a quantidade de avaliações feitas às especificações foi possível perceber a diferença
entre produtos, em termos de qualidade, resistência e performance. Relativamente à resistência dos
baldes é de assinalar que a proteção contra salpicos é uma peça indispensável para reforçar a
resistência lateral do balde. Os valores ideias foram definidos com o máximo rigor e exigência para
prevenir eventuais problemas que pudessem ocorrer na fase de desenvolvimento do conceito.
Na geração de conceitos, o problema da secagem dos filamentos da esfregona foi o mais
relevante pois é o que está relacionado com o mecanismo de secagem. Para o resolver foi decomposto
em subproblemas, proporcionando assim uma ampla pesquisa e abrindo o leque de possíveis
soluções.
O subproblema que mais influencia o mecanismo de secagem é a transmissão do movimento
linear vertical do cabo para rotacional do cesto. A pesquisa de vários conceitos para essa transmissão
permitiu detetar todas as possibilidades para o funcionamento do mecanismo de secagem.
Na seleção de conceitos, os testes supra mencionados realizados aos produtos concorrentes
para avaliar as especificações, revelaram-se úteis para identificar o mecanismo mais cómodo para o
74
utilizador que, no caso, foi o mecanismo de engrenagem com cremalheira incorporada como atuante
(vide imagem 3 da figura 7).
Este mecanismo foi também escolhido tendo em conta a metodologia DMFA, por ser fabricado
com peças plásticas e ser usado em produtos de baixo custo de produção. Os valores apresentados
na matriz de seleção da tabela 6 vieram confirmar o que já se previa ser a melhor opção.
Sendo este o mecanismo escolhido, a sua atuação preferencial é feita com um mínimo de
impactos possíveis no cabo no eixo vertical, o qual empurra o cesto para baixo atuando assim o
mecanismo das engrenagens. Por isso, a cremalheira foi posicionada na vertical e terá de ser seguida
por um sistema de engrenagens desmultiplicadores que permitam alcançar as velocidades requeridas
nas especificações ideais antes mencionadas. Neste sistema de engrenagens, é fundamental um
sistema de roquete para que o cesto gire sempre na mesma direção.
Para que o sistema de engrenagem transmita as velocidades ao cesto, ou seja, para aplicar
a rotação na esfregona, foi pensado um veio dentado, pois o cesto efetua um movimento translacional
sobre o veio, em simultâneo com a transmissão de rotação empregue pelo mecanismo.
Definido o melhor conceito para o produto, passou-se à análise dos constrangimentos
tecnológicos atuais e os custos de produção expectáveis, usando modelos analíticos e físicos.
Tendo em vista perceber as especificações e desenhos exequíveis no produto, começou-se
por criar protótipos analíticos.
O primeiro protótipo é focado no dimensionamento das engrenagens plásticas descritas no
capítulo III-4.1. Para o efeito, foi importante a utilização do programa KISSsoft, pois este já contém,
nos cálculos do programa, métodos especiais para otimizar e dimensionar engrenagens plásticas. O
estudo das engrenagens plásticas é mais complexo que o das metálicas devido precisamente à
escassez de estudos nesta área, não tendo sido ainda estabelecidas fórmulas de apoio ao
desenvolvimento de engrenagens plásticas como existem para as metálicas. Nestas, as fórmulas
foram construídas com base em assunções sobre o tipo de material, cujo comportamento de
elasticidade é linear, o que não se verifica na curva tensão-extensão dos plásticos.
Como o KISSsoft tem inúmeros parâmetros por definir, para garantir o correto
dimensionamento das engrenagens do NMSEC, foi usado um template de engrenagens plásticas. Para
obter uma aproximação dos valores a inserir no KISSsoft, foram usadas fórmulas de engrenagens
metálicas para conseguir visualizar e dimensionar o NMSEC nos limites estabelecidos no interior do
balde.
Foi também devido a estes limites reduzidos do balde que este trabalho se tornou complexo e
originou que o mecanismo contivesse dois níveis de engrenagem cilíndricas desmultiplicadoras,
confirmado após diversas iterações feitas com apenas um nível de engrenagem cilíndrica. A distância
útil da cremalheira não pôde ser superior a 75mm porque implicaria uma altura exagerada para a
dimensão do balde, devido ao facto do cesto efetuar movimento vertical para ativar a cremalheira,
tendo o mesmo deslocamento que esta.
Foi importante escolher engrenagens de dentes retos, pois estes são considerados os mais
simples, comuns e económicos. Não precisam de lubrificação e só estes são suscetíveis de serem
fabricados por moldes de abertura simples sem rotação como seria para as helicoidais.
75
Este estudo não se foca apenas em gerar a geometria das peças, mas também no estudo das
velocidades e potências do NMSEC. Com os cálculos e simulações feitas com o KISSsoft foi possível
fazer as engrenagens com as dimensões exatas que suportam as cargas e velocidades envolventes
no funcionamento do NMSEC. Pela análise da potência obtida no KISSsoft foi confirmada que esta é
7 vezes superior à necessária para vencer a inércia dos filamentos molhados da esfregona.
O segundo protótipo analítico representa o novo conjunto esfregona rotativa na sua totalidade,
tendo sido concebido por modelação 3D CAD. O objetivo é conhecer as formas e dimensões criando
um conjunto funcional e esteticamente agradável para os clientes.
Na modelação foram feitas algumas alterações nas peças recorrendo ao Design for
Manufacturing and Assembly. Para o processo de produção por moldes de injeção plástica foram
selecionados moldes de abertura simples por representarem menores custos de equipamento,
menores tempos de ciclo e, consequentemente, menores custos de produção, comparativamente a
outro tipo de moldes.
No contexto da redução dos custos de produção houve a preocupação de remover material
excessivo, diminuindo espessuras e cavando peças, mas tendo-se garantido que as cavidades
resultantes estivessem orientadas no sentido de abertura do molde. Com esta alteração diminuiu-se o
peso e, consequentemente, o custo das peças.
Tendo em vista desenhar o produto com o menor número de peças possível e para possibilitar
a abertura simples do molde, foi necessário dividir peças mais complexas em várias mais simples, de
que é exemplo a peça base do NMSEC. Esta foi dividida em seis peças diferentes para evitar a
utilização de punções nos moldes, o que dificultava o processo de moldagem, e também para facilitar
a montagem do NMSEC. Todas as peças de suporte que surgiram desta divisão são de fácil encaixe
na base e entre elas, para que a montagem seja o mais rápido e simples possível.
Concluídos os protótipos analíticos passou-se para a prototipagem física, o que permitiu
aperfeiçoar e confirmar o desenho e a funcionalidade do produto. Este tipo de prototipagem evita a
passagem direta dos desenhos para a fabricação dos moldes, eliminando custos elevados exigidos
para corrigir erros ou tornar a redesenhar os moldes para o produto corrigido.
Todos os protótipos físicos foram produzidos por impressão 3D, o que tornou o processo
demorado devido a falhas de impressão decorrentes da grande dimensão de algumas peças. Não
obstante, este tipo de prototipagem é o mais adequado, pois é bastante rápido e simples na exportação
do software CAD para o software Cura, operador de impressora 3D.
Com o principal objetivo de perceber o funcionamento do NMSEC, foram produzidos 5
protótipos físicos, a saber:
1. NMSEC à escala de ½ - o principal objetivo foi perceber o funcionamento do
mecanismo, pelo que várias peças exteriores ao NMSEC não foram impressas. Por este motivo, a
produção deste protótipo foi rápida e económica.
2. Novo conjunto esfregona rotativa completo à escala real – este protótipo ficou mais
dispendioso e demorado por terem sido produzidas todas as peças do conjunto, parte delas de grande
dimensão. Este facto justificou a prioridade no fabrico do protótipo do NMSEC à escala de ½.
76
3. Alteração da peça suporte carreto cilíndrico 2º nível de modo a centralizar o carreto
cilíndrico 2º nível e veio dentado, diminuindo assim os atritos sentidos nesta conexão – este protótipo
exigiu a criação de três protótipos físicos focados nos atritos desta conexão. No primeiro diminuiu-se
a folga desta conexão; no segundo foi acrescentado um rolamento de agulhas; no último foi modificado
o material da peça suporte para um metal, de forma a experienciar o efeito de um material de
superfícies de rugosidades muito baixas. Analisados os protótipos, apenas o segundo apresenta
melhorias, mas somente na centralização da peça carreto cilíndrico do 2º nível e integral com o veio
dentado simples, mantendo-se os problemas dos atritos em todos os protótipos.
4. Alteração do carreto cilíndrico 2º nível e veio dentado e do cesto – este protótipo
resultou em quatro variantes das peças originais focados na conexão entre aquelas duas peças.
Verificou-se que a solução do dentado roscado é claramente a melhor que o simples, pois impulsiona
a rotação no movimento translacional.
5. Alteração da tampa suporte do NMSEC - consiste em limitar o movimento lateral do
veio da cremalheira por intermédio de um anel acrescentado à peça tampa suporte do NMSEC. A
adição do anel limitador não apresentou nenhuma melhoria relevante. Não obstante, faz sentido
implementá-lo, pois o movimento do veio da cremalheira fica limitado e apoiado e, além disso, não
acrescenta complexidade na produção da peça.
Todos os protótipos validaram o funcionamento do NMSEC. No entanto, os atritos acima
referidos nunca deixaram de prejudicar o mecanismo, fazendo-o abrandar ou chegando mesmo a
travá-lo. Esses atritos estão aparentemente relacionados com a rugosidade presente em várias
superfícies das peças provocadas pela impressão 3D. Contudo, com a aplicação de spray Teflon
verificou-se uma significativa redução daqueles atritos, o que leva a concluir que podem não estar
relacionados com a impressão 3D. A conclusão definitiva só poderá ser extraída quando as peças
forem produzidas por moldes de injeção plástica, única forma de obter superfícies de rugosidades
muito baixas.
No segundo protótipo concluiu-se que o balde está sobredimensionado, necessitando de
futuros melhoramentos de design, de modo a assemelhar-se o seu tamanho ao dos outros conjuntos
de esfregona rotativa do mercado. Esta discrepância é justificada pelo erro cometido no
dimensionamento do balde, que teve origem nos seguintes factos:
a) Altura excessiva do balde face às reais necessidades de espaço para o deslocamento do cesto
no acionamento do NMSEC.
b) Metade frontal do balde demasiado grande que se revelou inadequado para as especificações
do produto. Esta opção tinha um duplo propósito, a saber:
i. Transportar mais água para diminuir o número de vezes de mudança da mesma;
ii. Obter um design oval, supostamente mais atrativo para o cliente.
Em conclusão, todos os incidentes descritos dão uma noção clara da frequência e da
complexidade dos mesmos, justificando sobremaneira a importância decisiva da prototipagem no
desenvolvimento de produtos.
77
Analisando, por último, os custos de produção do produto, importa, desde já, referir que o seu
fabrico será levado a efeito pela Fapil, pelo que todos os dados utilizados na análise de custos foram
disponibilizados pela mesma.
O objetivo da Fapil para o novo conjunto esfregona rotativa é ter um volume de produção anual
de 200.000 unidades.
O equipamento necessário para este volume de produção são quatro máquinas de injeção,
sendo uma de 600T, duas de 300T e uma de 150T. O custo unitário global é de 7,163 €, cuja
decomposição está na tabela 13. Conforme se pode constatar, o peso do custo da matéria-prima
representa 78% dos custos totais, sendo, por isso, o mais significativo, até porque o segundo item com
maior peso é o custo de mão-de-obra que representa apenas 6%.
De assinalar que os custos totais não incluem o da montagem do produto em análise porque
se equaciona a possibilidade de ter valor nulo se for transferido para o consumidor essa tarefa de
montagem do equipamento. Em todo o caso, este custo foi apurado, sendo de 0,518 €, por unidade, o
que significa que os custos totais unitários passariam a ser de 7,681 €, representando o custo de
montagem apenas 6,7% do total.
No presente estudo foi ainda apurado o volume de produção máximo para o conjunto das
quatro máquinas supra mencionadas, que é de 270 767 unidades, cujo custo unitário de produção é
de 7,071 €. Se for acrescentada mais uma máquina de 300T, a capacidade de produção anual aumenta
para 317 044 unidades e o custo unitário de produção reduz-se para 7,034 €.
Tendo em conta que a Fapil vende aos seus clientes a esfregona rotativa ao preço unitário de
12 €, conclui-se que a aposta no novo conjunto esfregona rotativa proporciona uma margem unitária
de 4,837 € para o volume de produção pretendido pela Fapil de 200 000 unidades, representando em
temos percentuais uma margem de 40,3%, que será diminuída pelos outros custos não produtivos
(administrativos, marketing, distribuição, logística, entre outros). Em termos absolutos, a venda das
200 000 unidades gerará um encaixe financeiro anual de 967 400 €.
Desconhece-se se este montante é suficiente para fazer face aos custos não produtivos e,
ainda, remunerar os acionistas. Em todo caso, aquele valor pode ser majorado implementando,
separada ou conjuntamente, as seguintes medidas:
i. Aumento do volume de produção para 270 767 unidades – o custo unitário de produção reduz-
se para 7,071 € sem haver necessidade de investir no aumento da capacidade instalada, ou
seja, no número de máquinas. Neste cenário e mantendo o preço de venda unitário nos 12 €,
a margem unitária aumentaria para 4,929 €, ou seja, 41,1%. Em termos absolutos, a venda
das 270 767 unidades proporcionaria um encaixe financeiro anual de 1 334 611 € e a margem
aumentaria em 367 211 €, representando um acréscimo de 38%.
ii. Redução do custo de produção através da diminuição do custo da matéria-prima, uma vez o
seu peso na estrutura de custos é de 78% e, portanto, qualquer diminuição nesta componente
tem de imediato um impacto muito positivo na redução dos custos totais de produção. Este
objetivo pode ser facilmente atingido, por um lado, com a diminuição da dimensão do balde,
que já foi admitido ser necessário concretizar, e, por outro lado, com a análise estrutural ao
produto que permitirá reduzir as espessuras dos seus componentes, com a consequente
78
redução do consumo de material e, portanto, diminuição do custo da matéria-prima incorporada
na esfregona rotativa.
Assumindo que a diminuição da dimensão do balde e da espessura dos seus componentes
permitirá reduzir o peso do produto de 3,929 Kg para 1,5 Kg, e tendo em conta que o custo da
matéria-prima está em proporcionalidade direta com o peso do produto acabado, então o custo
unitário de matéria-prima para a produção anual de 200 000 unidades passará de 5,597 € para
2,137 € e, consequentemente, o custo unitário de produção diminuirá de 7,163 € para 3,703 €.
A margem unitária, mantendo o preço de venda nos 12 €, será de 8,297 € e o encaixe financeiro
anual com a venda das 200 000 unidades seria de 1 659 400 €. A margem total anual
aumentaria 692 000 €, representando um acréscimo de 71,5%.
Se estas duas medidas forem implementadas simultaneamente, o encaixe financeiro total
aumentará em 1 304 064 €, passando de 967 400 € para 2 271 464 € sendo que no segundo cenário
descrito no ponto ii) o ganho poderá ser ainda majorado se forem produzidas 270 767 unidades em
vez das 200 000, que, como vimos, permite diminuir o custo de produção unitário mantendo a
capacidade instalada.
79
IV Conclusões
O desenvolvimento de produto constitui o objeto do presente trabalho. O objetivo foi
desenvolver o conjunto esfregona rotativa produzido pela Fapil – Indústria, SA, no âmbito da parceira
entre esta empresa e o IST – Instituto Superior Técnico.
As especificações do produto foram definidas em função da recolha de necessidades coligidas
no âmbito de entrevistas de grupo. Para poder avaliar o produto em função das necessidades e
estabelecer comparações, foi preciso tornar as necessidades mensuráveis o que foi conseguido
através da criação de métricas. Terminada esta fase, foi possível comparar um conjunto alargado de
produtos concorrentes em diferentes vertentes, tais como, qualidade, resistência e performance.
Tendo em linha de conta que o nosso foco é produzir um conjunto esfregona rotativa a custos
inferiores aos modelos existentes no mercado, nomeadamente no mecanismo de secagem, e na posse
das conclusões das comparações dos diferentes produtos acima referidas, a solução encontrada
traduziu-se na criação de um mecanismo de secagem da esfregona por centrifugação motora
composto por um conjunto de engrenagem desmultiplicadoras. Esta solução, completamente
inovadora, justificou o registo de patente sob a denominação “Mecanismo de engrenagens
desmultiplicadoras para a secagem de esfregona por centrifugação e o seu método de funcionamento”
e com a seguinte descrição:
O acionamento do mecanismo é feito por impulsos descendentes verticais, exercidos na
esfregona, que empurram o cesto. Por sua vez, o cesto aciona o sistema de cremalheira, que ativa a
engrenagem cónica. Esta altera o movimento de rotação para a horizontal, provocando o
engrenamento do primeiro nível de engrenagem cilíndrica. Na ligação entre este e o segundo nível de
engrenagem cilíndrica está incorporado o sistema de roquete, limitando o segundo nível de
engrenagem cilíndrica a uma rotação unidirecional. Este último, pelo veio dentado, conecta-se ao
cesto, limitando-o a um movimento translacional vertical e permitindo a sua rotação em simultâneo,
fechando, assim, o mecanismo.
Este mecanismo é passível de fabricação tendo em conta a metodologia DMFA, sendo
maioritariamente composto por peças plásticas injetadas.
Definido o melhor conceito para o produto, foram criados protótipos analíticos e físicos para
permitir que fossem detetadas eventuais falhas ou imperfeições, cujas correções numa fase posterior
de desenvolvimento do produto originariam maior perda de tempo e custos acrescidos na sua correção.
Neste contexto, recorreu-se ao KISSsoft para dimensionar as engrenagens do mecanismo por ser
software que contém métodos especiais para otimizar e dimensionar engrenagens plásticas. Note-se
que neste estudo foi usado um template de engrenagens plásticas e fórmulas de engrenagens
metálicas de forma a preencher os parâmetros necessários para o KISSsoft. Para uma correta análise
deverá ser feito um estudo mais aprofundado do sistema de engrenagens plásticas.
A realização da prototipagem revelou-se de importância decisiva, pois foi graças aos protótipos
que se detetaram imperfeições no mecanismo, designadamente atritos no seu funcionamento,
sobredimensionamento do balde e excessivo peso do conjunto esfregona rotativa. De referir, ainda,
80
que a impressão 3D, sendo considerada um meio de prototipagem rápido, pode ser muito demorado
dependendo da dimensão das peças e das falhas que ocorrem durante a impressão.
Calcularam-se os custos unitários de produção para um volume de produção anual de 200 000
unidades, tendo-se apurado o valor de 7,163 €, utilizando quatro máquinas de injeção. Uma vez que o
preço a que a Fapil vende aos seus clientes a esfregona rotativa é de 12 €, conclui-se que o custo de
produção representa cerca de 60% da venda. Apurou-se, igualmente, a decomposição do custo de
produção, tendo-se verificado que o custo da matéria-prima representa 78% do total, o que pode ser
determinante na política de redução de custos. Efetivamente e no caso concreto do conjunto esfregona
rotativa, objeto do presente trabalho, a correção das imperfeições supra mencionadas vão causar um
impacto positivo no custo da matéria-prima, visto que a diminuição da dimensão do balde e das
espessuras dos componentes do produto proporcionarão menor consumo de material e, portanto,
redução do custo da matéria-prima.
Ainda no âmbito da análise de sensibilidade foi avaliado o impacto do aumento de produção
sem acréscimo de maquinaria. Assim, é possível produzir anualmente 270 767 unidades, o que
permitirá reduzir o custo de produção unitário para 7,071 €. Foi também calculada e explicada a
redução do custo unitário da matéria-prima decorrente da correção das imperfeições do produto, que
passou de 5,597 € para 2,137 €. Por último, foram evidenciados os impactos na margem unitária dos
vários cenários apresentados, concluindo-se que, na pior das hipóteses, a margem total anual seria de
967 400 €, podendo aumentar para valores superiores a 2 271 464 €. Embora se desconheça o valor
total dos custos não produtivos (administrativos, marketing, distribuição, logística, entre outros),
estima-se que aquele montante seja suficiente para os financiar e, ainda, para remunerar os acionistas.
Conclui-se, portanto, que o conjunto esfregona rotativa tem viabilidade económica e a Fapil –
Indústria, SA pode apostar na comercialização do produto assim que esteja funcional, que passa por
corrigir as imperfeições documentadas.
Como trabalhos futuros propõe-se:
a) Desenvolver o sistema de engrenagens do NMSEC completo no KISSsys. Desenvolver os
estudos do KISSsoft. Diminuir diâmetros e número de dentes mínimos. Diminuir diâmetros
dos veios de suporte das engrenagens.
b) Diminuir dimensões e peso do balde.
c) Análise estrutural do NMSEC, reduzindo as espessuras das suas peças.
d) Fabrico de moldes de silicone para testar peças com superfícies de rugosidade muito
baixa.
e) Substituir todos os parafusos por encaixes, de forma a facilitar o processo de montagem,
diminuindo o seu tempo e, consequentemente, o custo de mão-de-obra.
81
V Referências Bibliográficas
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[16] Lantada, A.D. Handbook on Advanced Design and Manufacturing Technologies for Biomedical
Devices. Springer. 2013.
[17] ltodi.est.ips.pt/rmendes/resources/Apontamentos_EMII/CAP7_Engrenagens.pdf
[18] Davis, JR. Gear Materials, Properties, and Manufacture. ASM International. 2004.
[19] Matos Almas, E. Carinhas, H. Sebenta de Orgãos de Máquinas, Volume I, Engrenagens, Trens
de Engrenagens. Instituto Superior Técnico.
[20] khkgears.net/plastic-gears/
82
[21] Sclater, N. Chironis, NP. Mechanisms & Mechanical Devices – Sourcebook. McGraw-Hill. Third
Edition 2001.
[22] www.kisssoft.ch/english/downloads/instructions_kisssoft.php
[23] KISSsoft AG. Tutorial 11 Tooth Form Optimizations, Tooth Form Modifications specifically for
Plastic, Sintered, Wire-eroded and Form-forged Gears. March 2017
[24] www.clubedospoupadores.com/calculadora-dias-uteis
83
VI – Anexos
Anexo 1 – Guião seguido nas entrevistas para a recolha de necessidades
Neste anexo é apresentado o guião seguido nas entrevistas para a recolha de necessidades.
Recordando, as entrevistas realizaram-se em grupo e com a utilização física de vários tipos de
esfregonas, sempre incluindo a esfregona de torcer no espremedor do balde e a esfregona rotativa.
Os utilizadores líder entrevistados foram profissionais de limpeza, empregadas domésticas e o cidadão
no geral que use a esfregona mais que duas vezes por semana, dando especial atenção a pessoas
com mobilidade/comodidades reduzida. Nas entrevistas foi seguido um guião informal,
compreendendo como principais as seguintes perguntas:
• Qual é a sua experiência com esfregonas?
• Que tipo de esfregonas já utilizou?
• Qual é a sua experiência com esfregonas rotativas?
• Qual dos tipos de esfregonas gosta mais? Porquê?
• O que prefere em cada tipo de esfregonas?
• O que não gosta?
• Tem que aplicar muita força para espremer?
• O que gostava que a esfregona tivesse ou fizesse?
• Como é que faz isso? Demonstre.
Anexo 2 – Tempos de atuação dos conjuntos esfregona rotativa testados no
subcapítulo III – 3.2
De forma a definir o melhor tempo de atuação do mecanismo definido na tabela 7, foi estimado
um valor com base na média do tempo de atuação dos conjuntos esfregona rotativa testados no
capítulo III – 3.2. A tabela 18 apresenta os respetivos tempos de atuação.
Anexo 3 – Relatórios gerados das simulações realizadas no KISSsoft
Neste anexo são apresentadas a primeira página de cada relatório gerado das simulações
realizadas no KISSsoft, para cada engrenagem. Nestas são apresentados parâmetros como a
potência, velocidade de rotação e número de dentes.
Tabela 18 - Tempo de atuação dos conjuntos esfregona rotativa testados no subcapítulo III - 3.2.
Fapil Kasa Kasa Pedal
Utildecor Otyma Fénix
Mopnado Walkable spin mop
Vileda Valor médio ideal
Tempo de atuação 1 [s] 1,33 1,79 1,51 1,84 2,16 1,72 1,56 1,70
Tempo de atuação 2 [s] 1,50 1,20 1,70 1,87 1,64 1,40 1,32 1,52
Tempo de atuação 3 [s] 1,64 1,53 1,88 1,98 1,84 1,65 1,73 1,75
Tempo de atuação médio [s] 1,49 1,51 1,70 1,90 1,88 1,59 1,54 1,66
84
Figura 33 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft da engrenagem da cremalheira e pinhão.
85
Figura 34 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft da engrenagem cónica.
86
Figura 35 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft do 1º nível da engrenagem cilíndrica.
87
Figura 36 - Relatório gerado da simulação do KISSsoft do 2º nível da engrenagem cilíndrica.
88
Anexo 4 – Patente – Mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para a
secagem de esfregona por centrifugação e o seu método de funcionamento
Neste anexo, referente à patente - Mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para a
secagem de esfregona por centrifugação e o seu método de funcionamento, são apresentados o
Resumo, a Descrição, as figuras e as Reivindicações. Esta invenção é fruto desta tese.
RESUMO
Mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para a secagem de esfregona por
centrifugação e o seu método de funcionamento
A presente invenção refere-se a um mecanismo de secagem de uma esfregona por centrifugação
motora composto por um conjunto de engrenagens desmultiplicadoras. O seu acionamento é feito por
impulsos descendentes verticais, exercidos na esfregona (1), que empurram o cesto (2).
Consequentemente, o cesto (2) aciona o sistema de cremalheira (3), que ativa a engrenagem cónica
(4). Esta altera o movimento de rotação para a horizontal, provocando o engrenamento do primeiro
nível de engrenagem cilíndrica (5). Na ligação entre este e o segundo nível de engrenagem cilíndrica
(6) está incorporado o sistema de roquete (7), limitando o segundo nível de engrenagem cilíndrica (6)
a uma rotação unidirecional. Este último, pelo veio dentado (8), conecta-se ao cesto (2), limitando o
cesto (2) a um movimento translacional vertical e permitindo a sua rotação em simultâneo, fechando o
mecanismo. O mecanismo é passível de fabricação, sendo maioritariamente composto por peças
plásticas injetadas.
Figura 37 - Figura principal da patente.
89
DESCRIÇÃO
Mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para a secagem de esfregona por
centrifugação e o seu método de funcionamento
Campo da invenção
Campo técnico em que a invenção se insere
A presente invenção refere-se a um mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para secagem de
esfregona por centrifugação e o seu sistema de funcionamento, com melhoramentos nas
características do mecanismo de rotação.
Estado da técnica
As esfregonas têm como finalidade limpar e remover líquidos, sujidade e poeiras, de superfícies. Sendo
este utensílio muito usado no meio industrial e doméstico, é um produto que tem sofrido constantes
melhoramentos, tanto a nível tecnológico, nos mecanismos de secagem da esfregona e nos próprios
filamentos da esfregona que absorvem a água, como nos custos de produção.
Atualmente, o mecanismo de secagem de esfregonas mais eficaz e eficiente atua por
centrifugação, pela rotação da esfregona e do balde a velocidades elevadas. Quando comparado com
mecanismos anteriores, como espremer a esfregona manualmente ou torcê-la e comprimi-la através
do cabo contra um espremedor, esta solução implica menos força de atuação e possibilita maior
rapidez e eficácia para secar a esfregona. Este mecanismo possibilita também uma maior higiene e
segurança, afastando o utilizador do contacto direto com químicos dos produtos de limpeza e com a
sujidade a limpar, como por exemplo, objetos cortantes que estejam nos filamentos.
Existem já vários tipos de mecanismos de secagem de esfregonas por centrifugação. No caso
do produto descrito no pedido de patente Nº US2012192373A1, o mecanismo de rotação está situado
no interior do cabo da esfregona e é composto por diversos componentes, em que o principal
responsável pela rotação é um veio roscado. Este mesmo mecanismo já sofreu posteriores
melhoramentos com a adição de engrenagens desmultiplicadoras, com o objetivo de reduzir a carga a
aplicar no seu funcionamento. Exemplos destes são os modelos de utilidade Nº CN202235236U e Nº
CN205458515U. Contudo, este tipo de mecanismo, mesmo na sua forma mais básica, ainda tem
custos de produção elevados para o mercado onde está inserido. Estes custos devem-se aos materiais
usados e, principalmente, ao elevado custo de montagem.
Existe também outro importante tipo de mecanismo de rotação, que inclui um pedal como
atuador de engrenagens desmultiplicadoras impulsionadoras da rotação do cesto e da esfregona.
Exemplos destes são o pedido de patente Nº US20100064469A1 e a patente chinesa Nº
CN203987918U. Na sua forma mais básica, este tipo de mecanismo de rotação melhora os custos de
montagem em relação ao mecanismo anteriormente descrito. No entanto, o seu manuseamento por
pedal não é o mais acessível a qualquer utilizador, exigindo algum equilíbrio. Outros fatores negativos
são o espaço exterior ao balde que é ocupado pelo pedal, dificultando a arrumação em espaços mais
reduzidos, assim como o facto de ser mais propício a tombar durante os acionamentos do pedal, se o
balde não estiver devidamente cheio.
90
A presente invenção proporciona a redução dos custos de produção, contendo na sua maioria
peças fabricadas por injeção plástica e proporcionando uma fácil montagem do mecanismo de rotação,
podendo ser quase totalmente montada pelo próprio utilizador. O mecanismo ocupa uma área bastante
reduzida, situando-se apenas no interior do balde, debaixo do cesto. O seu manuseamento é bastante
simplificado, tendo o utilizador apenas que aplicar carga no cabo da esfregona no sentido descendente.
As engrenagens desmultiplicadoras resultam numa carga de atuação inferior à dos mecanismos já
existentes.
Sumário da invenção
A presente invenção refere-se a um mecanismo de secagem de uma esfregona por centrifugação
motora. Este mecanismo inclui a esfregona (1), a base do mecanismo (9), o cesto (2), um sistema de
cremalheira (3), uma engrenagem cónica (4), um primeiro nível de engrenagem cilíndrica (5), um
segundo nível de engrenagem cilíndrica (6) e um sistema de roquete (7). O movimento descendente
da esfregona (1) empurra o cesto (2) para baixo. Consequentemente, o cesto (2) aciona o sistema de
cremalheira (3) que por sua vez está ligado à engrenagem cónica (44). A engrenagem cónica (4) altera
o movimento de rotação da vertical para horizontal, provocando assim o engrenamento do primeiro
nível de engrenagem cilíndrica (5). Na ligação entre o primeiro nível de engrenagem cilíndrica (5) e o
segundo nível de engrenagem cilíndrica (6) está incorporado o sistema de roquete (7), limitando o
segundo nível de engrenagem cilíndrica (6) a uma rotação unidirecional. O segundo nível de
engrenagem cilíndrica (6) está ligado ao cesto (2), fechando o mecanismo de secagem de uma
esfregona por centrifugação motora. Esta ligação é feita pelo veio dentado (8) que limita o cesto (2) a
um movimento translacional vertical, permitindo a sua rotação em simultâneo. Todo o mecanismo, à
exceção da esfregona (1) e do cesto (2), é compactado no interior do balde (10). A complexa
desmultiplicação das engrenagens é inevitável para que o cesto (2) gire o suficiente para realizar a
secagem dos filamentos da esfregona, com poucos movimentos descendentes da esfregona (1) e com
uma baixa carga de atuação para os efetuar.
Descrição detalhada da invenção
A presente invenção, representada nas figuras de 1 a 8, refere-se a um mecanismo de engrenagens
desmultiplicadoras para a secagem da esfregona por centrifugação e o seu método de funcionamento.
Uma das suas vantagens é a possibilidade de acionar o mecanismo de rotação da esfregona (1)
através do cabo (11), estando este na sua totalidade no interior do balde (10), o que facilita a sua
arrumação. Isto só é possível pela inovadora junção de um sistema de cremalheira (3) vertical,
engrenagens cilíndricas e cónicas desmultiplicadoras e de um sistema de roquete (7), num só
mecanismo. A desmultiplicação de cargas nas engrenagens reduz a carga necessária para se atingir
a velocidade rotacional do cesto (2), necessária para a secagem da esfregona (1). Existe ainda uma
redução dos custos de produção pela fácil e eficiente montagem do mecanismo, reduzindo o tempo e
custo de mão-de-obra, assim como pelo tipo de componentes integrantes do mecanismo, sendo na
sua maioria peças facilmente fabricadas por injeção plástica.
91
Como representado nas Figuras de 1 a 8, este mecanismo inclui: balde (12), cesto (2), travão
do cesto (13), base da esfregona (14), suporte da peça rotativa da esfregona (15), peça rotativa da
esfregona (16), peça de encaixe do cabo (17), junção da peça rotativa e da peça de encaixe macho
(18), junção da peça rotativa e da peça de encaixe fêmea (19), cremalheira (20), peça de guia da
cremalheira (21), junção pinhão-roda cónica (22), junção carreto cónico-roda cilíndrica inferior (23),
junção carreto cilíndrico inferior-roquete (24), trinco (25), roda cilíndrica superior (26), carreto cilíndrico
superior nível e veio dentado (27), tampa de suporte do mecanismo (28), base do mecanismo (9), peça
de suporte do pinhão (29), peça de suporte da engrenagem cónica (30), peça de suporte do sistema
de roquete (31), peça de suporte do carreto cilíndrico superior (32), veio do pinhão (33), veio do carreto
cónico (34), veio do roquete (35), parafuso (36), rebite (37), esfera (38), rolamento de esferas (39),
rolamento de agulhas (40) e mola de compressão.
A esfregona (1) inclui: cabo (11), base da esfregona (14), suporte da peça rotativa da esfregona
(15), peça rotativa da esfregona (16), peça de encaixe do cabo (17), junção peça rotativa-peça de
encaixe macho (18), junção peça rotativa-peça de encaixe fêmea (19), rebite (37) e rolamento de
esferas (39).
O sistema de cremalheira (3) é composto pela cremalheira (20) e pelo pinhão (41). O veio da
cremalheira (42) é integral à cremalheira (20).
A engrenagem cónica (4) é composta pela roda cónica (43) e pelo carreto cónico (44).
A engrenagem cilíndrica inferior (5) é composta pela roda cilíndrica inferior (45) e pelo carreto cilíndrico
inferior (46).
A engrenagem cilíndrica superior (6) é composta pela roda cilíndrica superior (26) e pelo
carreto cilíndrico superior (47).
O sistema de roquete (7) é composto pelo roquete (48), por quatro componentes de trinco (25)
e pelo círculo com dentado interior (49).
A junção pinhão-roda cónica (22) é o resultado da integração coaxial do pinhão (41) com a
roda cónica (43).
A junção carreto cónico-roda cilíndrica inferior (23) é o resultado da integração coaxial do
carreto cónico (44) com a roda cilíndrica inferior (45).
A junção carreto cilíndrico inferior-roquete (24) é o resultado da integração coaxial do carreto
cilíndrico inferior (46) com o roquete (48).
A junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) é o resultado da integração coaxial do
carreto cilíndrico superior (47) com o veio dentado (8).
Para o funcionamento do mecanismo é exercido um movimento descendente no cabo (11)
que, consequentemente, empurra o cesto (2) para baixo. O contacto entre a esfregona (1) e o cesto
(2) acontece entre o encaixe da base da esfregona (50) e o encaixe do cesto (51). A esfregona (1) tem
livre rotação, de modo a acompanhar a rotação do cesto (2), sendo aplicada em simultâneo uma carga
descendente no cabo (11). Entre a base da esfregona (14) e a peça rotativa da esfregona (16) deve
haver um rolamento de esferas (39) para diminuir o atrito. O cesto (2) está centralizado com o orifício
do balde (52), com o carreto cilíndrico superior e veio dentado (27) e com o veio da cremalheira (42).
O movimento descendente do cesto (2) faz com que o veio incorporado no cesto (53) acione a
92
cremalheira (20), pelo contacto com o veio da cremalheira (42). Entre o veio incorporado no cesto (53)
e o veio da cremalheira (42) existe uma esfera (38), de forma a diminuir o atrito no contacto. Entre a
cremalheira (20) e a base do mecanismo (9) deve também haver uma mola de compressão, de forma
a auxiliar o recuo da cremalheira (20). A cremalheira (20) está posicionada na vertical e é engrenada
com o pinhão (41). A junção pinhão-roda cónica (22) gira em torno do veio do pinhão (33) e assim é
acionado o engrenamento entre a roda cónica (43) e o carreto cónico (44). A relação entre a roda e o
carreto resulta na desmultiplicação do engrenamento. Na engrenagem cónica (4) é alterado o
movimento de rotação do eixo horizontal para vertical. A junção carreto cónico-roda cilíndrica inferior
(23) gira em torno do veio do carreto cónico (34), acionando assim o engrenamento entre a roda
cilíndrica inferior (45) e o carreto cilíndrico inferior (46). Na ligação entre a engrenagem cilíndrica inferior
(5) e a engrenagem cilíndrica superior (6) está incorporado o sistema de roquete (7), que limita a
engrenagem cilíndrica superior (6) a uma rotação unidirecional, pelo engrenamento de duas peças de
trinco (25) no círculo com dentado interior (49) cavado na roda cilíndrica superior (26). A junção carreto
cilíndrico inferior-roquete (24) e a roda cilíndrica superior (26) giram em torno do veio de roquete (35)
e, quando ativado o sistema de roquete (7), é acionado o engrenamento entre a roda cilíndrica superior
(26) e o carreto cilíndrico superior (47). A junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) está
diretamente ligada ao cesto (2), fechando o mecanismo. Esta ligação é feita pelo veio dentado (8), que
limita o cesto (2) a um movimento translacional vertical, provocando a sua rotação em simultâneo. A
junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) é mantida no eixo vertical com o auxílio da peça de
suporte de carreto cilíndrico superior (32) e da tampa de suporte do mecanismo (28). No interior da
peça de suporte do carreto cilíndrico superior (32), deve ser acrescentado o rolamento de agulhas (40),
de modo a diminuir o atrito na rotação entre a junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) e a
peça de suporte do carreto cilíndrico superior (32). A peça de suporte do carreto cilíndrico superior (32)
é separada da tampa de suporte do mecanismo (28) para facilitar o seu fabrico por injeção plástica. A
peça de suporte do pinhão (29) e a peça de suporte da engrenagem cónica (30) auxiliam a montagem
do veio do pinhão (33), facilitando também o fabrico da base do mecanismo (9) por injeção plástica. A
peça de suporte do sistema de roquete (31) é separada da base do mecanismo (9) para facilitar o seu
fabrico por injeção plástica. A tampa de suporte do mecanismo (28) constringe a nulo o movimento da
peça de suporte do pinhão (29), da peça de suporte do sistema de roquete (31), do veio do carreto
cónico (34) e do veio do roquete (35). Todo o mecanismo de rotação é compactado no interior do balde
(10). A complexa desmultiplicação das engrenagens é inevitável para que o cesto (2) gire o suficiente
para realizar a secagem dos filamentos da esfregona, com poucos movimentos descendentes da
esfregona e com uma baixa carga de atuação para os efetuar.
Descrição das figuras
A Figura 1 representa o mecanismo de engrenagem desmultiplicadora para a secagem da esfregona
por centrifugação, que compreende: esfregona (1), cesto (2), cremalheira (3), engrenagem cónica (4),
engrenagem cilíndrica inferior (5), engrenagem cilíndrica superior (6), sistema de roquete (7) e veio
dentado (8).
93
A Figura 2 representa a vista explodida da conexão entre a esfregona (1), o cesto (2) e a junção
carreto cilíndrico superior-veio dentado (27). Também são representados o veio dentado (8), o cabo
(11), o travão do cesto (13), a base da esfregona (14), a peça de encaixe do cabo (17), os parafusos
(36), a esfera (38), o carreto cilíndrico superior (47), o encaixe da base (50) e o veio do cesto (53).
A Figura 3 representa a vista seccionada, no plano central e vertical, da conexão entre a base
da esfregona (14), o cesto (2), a junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) e a cremalheira
(20). O contacto entre o cesto (2) e a cremalheira (20) ocorre entre o veio da cremalheira (42) e o veio
do cesto (53). Entre os veios está a esfera (38). São também apresentadas as peças envolventes na
rotação da base da esfregona (14), que são: a peça rotativa da esfregona (16), o suporte da peça
rotativa da esfregona (15), a peça de encaixe do cabo (17), a junção peça rotativa-peça de encaixe
macho (18), a junção peça rotativa-peça de encaixe fêmea (19), o rebite (37) e o rolamento de esferas
(39). A peça de guia da cremalheira (21) também é apresentada nesta figura.
A Figura 4 representa as peças de suporte do mecanismo de engrenagens. Nestas, são
englobadas a base do mecanismo (9), a tampa de suporte do mecanismo (28), a peça de suporte do
pinhão (29), a peça de suporte da engrenagem cónica (30), a peça de suporte do sistema de roquete
(31), a peça de suporte do carreto cilíndrico superior (32), com o rolamento de agulhas (40), o veio do
pinhão (33), o veio do carreto cónico (34), o veio do roquete (35) e os parafusos (36). Nesta figura são
também apresentadas a cremalheira (20), a junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) e o
veio da cremalheira (20), de modo a enquadrar o mecanismo de engrenagens.
A Figura 5 representa o conjunto das engrenagens e os veios de suporte, contendo a figura o
veio dentado (8), a cremalheira (20), a peça de guia da cremalheira (21), a junção pinhão-roda cónica
(22), a junção carreto cónico-roda cilíndrica inferior (23), a junção carreto cilíndrico inferior-roquete
(24), a roda cilíndrica superior (26), a junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27), o veio do
pinhão (33), o veio do carreto cónico (34), o pinhão (41), o veio da cremalheira (42), o carreto cónico
(44), a roda cilíndrica inferior (45), o carreto cilíndrico superior (47) e o círculo com dentado interior
(49).
A Figura 6 representa a Figura 5 com a vista de trás. Nesta, são apresentados os seguintes
componentes: o veio dentado (8), a peça de guia da cremalheira (21), a junção carreto cónico-roda
cilíndrica inferior (23), os trincos (25), a roda cilíndrica superior (26), o veio do pinhão (33), o veio do
carreto cónico (34), o veio do roquete (35), a roda cónica (43), o carreto cónico (44), a roda cilíndrica
inferior (45), o carreto cilíndrico superior (46) e o roquete (48).
A Figura 7 representa o conjunto de peças pertencentes e envolventes do mecanismo de
engrenagens desmultiplicadoras para a secagem da esfregona por centrifugação. Nesta, é assinalado
o cesto (2), a base do mecanismo (9), o cabo (11), o balde (12), a base da esfregona (14) e o encaixe
do cesto (51).
A Figura 8 representa a vista explodida do conjunto de peças pertencentes e envolventes do
mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para a secagem da esfregona por centrifugação.
Nesta, é assinalado o cesto (2), a base do mecanismo (9), o interior do balde (10), o cabo (11), o balde
(12), a base da esfregona (14) e o orifício do balde (52).
94
Figura 38 - Figura 1 da patente.
Figura 39 - Figura 2 da patente.
95
Figura 40 - Figura 3 da patente.
Figura 41 - Figura 4 da patente.
96
Figura 42 - Figura 5 da patente.
Figura 43 - Figura 6 da patente.
97
Figura 44 - Figura 7 da patente.
Figura 45 - Figura 8 da patente.
98
REIVINDICAÇÕES
1. Mecanismo de engrenagens desmultiplicadoras para a secagem de esfregona por centrifugação
caracterizado por compreender os seguintes componentes: balde (12), cesto (2), base da
esfregona (14), cremalheira (20), junção pinhão-roda cónica (22), junção carreto cónico-roda
cilíndrica inferior (23), junção carreto cilíndrico inferior-roquete (24), trinco (25), roda cilíndrica
inferior (26), junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27), tampa de suporte do mecanismo
(28), base do mecanismo (9), peça de suporte do pinhão (29), peça de suporte da engrenagem
cónica (30), peça de suporte do sistema de roquete (31), peça de suporte do carreto cilíndrico
superior (32), veio do pinhão (33), veio do carreto cónico (34) e veio do roquete (35).
2. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a cremalheira (20) ter o veio da
cremalheira (42) integral a si.
3. Mecanismo, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado por a cremalheira (20) estar
posicionada na vertical.
4. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a junção pinhão-roda cónica (22)
ser a integração coaxial do pinhão (41) com a roda cónica (43).
5. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a junção carreto cónico-roda
cilíndrica inferior (23) ser a integração coaxial do carreto cónico (44) com a roda cilíndrica inferior
(45).
6. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a junção carreto cilíndrico inferior-
roquete (24) ser a integração coaxial do carreto cilíndrico inferior (46) com o roquete (48).
7. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o círculo com dentado interior (49)
ser coaxial e cavado na roda cilíndrica superior.
8. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a junção carreto cilíndrico
superior-veio dentado (27) ser a integração coaxial do carreto cilíndrico superior (47) com o veio
dentado (8).
9. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o veio dentado (8) ter dentado reto
ou roscado.
10. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o cesto (2) estar centralizado com
o orifício do balde (52), com a junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) e com o veio da
cremalheira (42).
11. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por entre a cremalheira (20) e a base
do mecanismo (9) existir uma mola de compressão.
12. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o contacto entre a base da
esfregona (14) e o cesto (2) ser entre o encaixe base da esfregona (50) e o encaixe do cesto (51).
13. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a base da esfregona (1) ter livre
rotação.
14. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a base da esfregona (1) ter um
rolamento de esferas (39).
99
15. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o contacto entre o cesto (2) e a
cremalheira (20) ser entre o veio incorporado no cesto (53) e o veio da cremalheira (42).
16. Mecanismo, de acordo com as reivindicações 1 e 15, caracterizado por entre o veio incorporado
no cesto (53) e o veio da cremalheira (42) existir uma esfera (38).
17. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o trinco (25) estar montado no
roquete (48).
18. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o roquete (48) ter entre 1 a 10
trincos (25).
19. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por ter um rolamento unidirecional
que substitui o roquete (48), o trinco (25) e o círculo com dentado interior (49).
20. Mecanismo, de acordo com as reivindicações 1 e 8, caracterizado por a junção carreto cilíndrico
superior-veio dentado (27) ser fixada no eixo vertical pela peça de suporte do carreto cilíndrico
superior (32) e da tampa de suporte do mecanismo (28).
21. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a peça de suporte do carreto
cilíndrico superior (32) ser fixada à tampa de suporte do mecanismo (28) por encaixe ou por
parafuso (36).
22. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por entre a peça de suporte do carreto
cilíndrico superior (32) e a junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) existir livre rotação.
23. Mecanismo, de acordo com as reivindicações 1 e 22, caracterizado por entre a peça de suporte do
carreto cilíndrico superior (32) e a junção carreto cilíndrico superior-veio dentado (27) existir um
rolamento de agulhas (40).
24. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a tampa de suporte do mecanismo
(28) ser fixada à base do mecanismo (9) por encaixes ou por parafusos (36).
25. Mecanismo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o travão do cesto (13) ser montado
por encaixes ou por parafuso (36) no cesto (2).
26. Método de funcionamento do mecanismo descrito nas reivindicações anteriores, caracterizado por
compreender as seguintes etapas:
a) Acionamento por movimento descendente da base da esfregona (14) contra o cesto (2);
b) Movimento descendente do cesto (2) contra a cremalheira (20);
c) Engrenamento da cremalheira (20) com o pinhão (41);
d) Rotação da ligação pinhão-roda cónica (22) em torno do veio do pinhão (33);
e) Engrenamento da roda cónica (43) com o carreto cónico (44);
f) Rotação da ligação carreto cónico-roda cilíndrica de primeiro nível (23) em torno do veio do
carreto cónico (34);
g) Engrenamento da roda cilíndrica de primeiro nível (45) com o carreto cilíndrico de primeiro
nível (46);
h) Rotação da ligação carreto cilíndrico de primeiro nível-roquete (24) e da roda cilíndrica de
segundo nível (26) em torno do veio do roquete (35);
i) Engrenamento do trinco (25) no círculo dentado interior (49);
100
j) Engrenamento da roda cilíndrica de segundo nível (26) com o carreto cilíndrico de segundo
nível (47);
k) Engrenamento do veio dentado (8) com o cesto (2);
l) Rotação da base da esfregona (14).
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