Uma abordagem inovadora para melhoria no desenvolvimento de componente de células a combustível (Xerogel) por meio do método DMAIC
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Data
2024-07-24
Autores
Orientador
Aneirson Francisco da Silva 
Coorientador
Messias Borges Silva
Pós-graduação
Engenharia - FEG
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
Os elevados custos associados ao desenvolvimento de inovações tecnológicas para exploração espacial são frequentemente atribuídos à fase de testes experimentais. É nesta etapa que conceitos teóricos são aplicados na prática pela primeira vez. A precisão na previsão de resultados é limitada pela falta de parâmetros de entrada consistentes, o que muitas vezes resulta na necessidade de realizar uma extensa série de testes convencionais para desenvolver um protótipo confiável. Para mitigar a necessidade de múltiplos testes, é fundamental adotar estratégias e técnicas avançadas que reduzam o número de experimentos e aumentem a eficiência do processo de desenvolvimento como um todo. Neste estudo, foi abordado a otimização do desenvolvimento de um componente essencial para células a combustível espaciais, o Xerogel, utilizando o método DMAIC e a Metodologia de Superfície de Resposta. A indústria espacial, ainda emergente e altamente competitiva, não adotou um modelo padrão para o desenvolvimento de tecnologias críticas, o que representa um desafio para países menos estabelecidos na corrida espacial, dificultando sua competitividade frente aos líderes do setor.
Foi investigado se a implementação do método DMAIC pode trazer vantagens significativas e estabelecer-se como um padrão nacional, fomentando a padronização e aceleração do desenvolvimento espacial no Brasil. Além disso, a Metodologia de Superfície de Resposta será aplicada para aprimorar a fase experimental, proporcionando modelos que descrevam adequadamente o comportamento do componente e que apoiem a continuidade das melhorias. O objetivo desta pesquisa foi criar um procedimento sistemático para a implementação do framework DMAIC no desenvolvimento de células a combustível para aplicações espaciais, buscando inovação e eficácia operacional. Para isso, foram realizados quinze experimentos planejados utilizando o arranjo Box-Behnken, envolvendo três fatores e duas saídas a serem analisadas. Com base nos dados obtidos, as duas funções empíricas y1 e y2 foram determinadas, por meio de análises de regressão e estatística. A função empírica aglutinada foi definida pelo método Desirability. Foram analisados cinco cenários, com diferentes combinações de pesos. A otimização sugeriu a condição ideal como sendo x1 = H2SO4, x2 = 970,25 °C e x3 = 30min, que obteve como resultados y1 = 4,89 e y2 = 600,00. Realizou-se também um experimento de confirmação para validar os resultados obtidos pelos modelos. Os experimentos resultaram em valores dentro do intervalo de confiança de predição estimado, validando estatisticamente o procedimento proposto. Foi constatado que planejar o processo de desenvolvimento utilizando a Metodologia Seis Sigma (DMAIC) oferece vantagens. A aplicação da Metodologia de Superfície de Resposta permitiu uma análise imparcial e otimizou o desenvolvimento da célula combustível, utilizando menos recursos nos experimentos.
Resumo (inglês)
Significant expenditures in the development of technological innovations for space exploration are attributed to the experimental testing phase, where theoretical concepts are applied practically for the first time. The prediction of outcomes, hindered by the lack of consistent input parameters, often requires extensive series of conventional tests to arrive at a trustworthy prototype. To circumvent the need for a high volume of tests, the adoption of advanced strategies and techniques aimed at reducing the number of experiments and improving the efficiency of the overall development process becomes crucial. In this work, the optimization of the development of a vital component for space fuel cells, known as Xerogel, using the DMAIC method and the Response Surface Methodology is explored. The space industry, still nascent and highly competitive, has not aligned to a standard model for the development of critical technologies. This gap hinders the progress of less established nations in the space race, impeding their competitiveness against sector leaders. Therefore, this study investigates whether the application of the DMAIC method can confer significant advantages and establish itself as a possible national standard method, thereby promoting the standardization and acceleration of space development in Brazil. The application of the Response Surface Methodology will be explored to enhance the experimental phase, resulting in models that adequately describe the behavior of the component in question and support the continuity of improvements. Thus, the purpose of this research is to develop a systematic procedure for the implementation of the DMAIC framework in the development of fuel cells for space applications, aiming at innovation and operational effectiveness. For this empirical application, fifteen planned experiments were conducted using the Box-Behnken design, involving three factors and two outputs to be analyzed. Based on the acquired data, the two empirical functions Y1 and Y2 were determined through regression and statistical analyses. The agglutinated empirical function was defined by the Desirability method. Five scenarios were examined, each with different combinations of weights. Optimization suggested the optimal condition as x1 = H2SO4, x2 = 970.25 °C, and x3 = 30 minutes, resulting in y1 = 4.89 and y2 = 600.00. Additionally, a confirmation experiment was conducted to validate the results obtained by the models. The experiments yielded values within the estimated prediction confidence interval, thus statistically validating the proposed procedure. It was observed that planning the development process using the Six Sigma Methodology (DMAIC) offers advantages. The application of Response Surface Methodology allowed for an impartial analysis and optimized the development of the fuel cell, utilizing fewer resources in experiments.
Descrição
Idioma
Português
Como citar
RODRIGUES, Douglas Miranda. Uma abordagem inovadora para melhoria no desenvolvimento de componente de células a combustível (Xerogel) por meio do método DMAIC 2024. 115F. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica) - Faculdade de Engenharia e Ciências, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2024.