UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUISTA FILHO” CAMPUS DE GUARATINGUETÁ César Coutinho Ramos ANÁLISE E APLICAÇÃO DE MÉTODOS DE MODULARIZAÇÃO NO DESENVOLVIMENTO DO PRODUTO GUARATINGUETÁ 2016 CÉSAR COUTINHO RAMOS ANÁLISE E APLICAÇÃO DE MÉTODOS DE MODULARIZAÇÃO NO DESENVOLVIMENTO DO PRODUTO Defesa de dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, como parte do processo para a obtenção do título de Mestre em Engenharia de Produção. Orientador: Prof. Dr. Antônio Wagner Forti Sponsor: Rodrigo de Oliveira Chaves GUARATINGUETÁ 2016 R175a Ramos, César Coutinho Análise e aplicação de métodos de modularização no desenvolvimento do produto / César Coutinho Ramos – Guaratinguetá, 2016. 88 f. : il. Bibliografia: f. 85-88 Dissertação (Mestrado) – Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, 2016. Orientador: Prof. Dr. Prof. Dr. Antônio Wagner Forti 1. Produção em massa 2. Veículos comerciais - Molas e suspensão 3. Administração de produtos I. Título CDU 658.5 (043) Março 2016 DADOS CURRICULARES César Coutinho Ramos NASCIMENTO 07.10.1968 – PORCIÚNCULA / RJ FILIAÇÃO Pedro Paulo de Cerqueira Ramos Marília de Carvalho Coutinho Ramos 1982/1985 Curso Técnico Mecânica - Escola Técnica Federal de Campos (ETFC) 1989/1994 Curso de Graduação Engenharia Mecânica – Universidade Federal Fluminense (UFF) 2010/2011 Curso de Pós Graduação em Gestão de Negócios nível lato sensu pela Fundação Dom Cabral (FDC) “Dedico este trabalho à minha família, principalmente à minha esposa, que me suportou e amparou em todos os momentos durante os dois anos de desenvolvimento desta dissertação de mestrado.” AGRADECIMENTOS Ao orientador Professor Doutor Antônio Wagner Forti pelo incentivo e paciência. A aluna de graduação em Eng. Mecânica Bárbara Ijano Silva pelo apoio e dedicação nas atividades do projeto. A equipe de engenharia de chassi da MAN Latin America pelos precisos e imprescindíveis comentários. RAMOS, C. C. Análise e Aplicação de Métodos de Modularização no Desenvolvimento do Produto. 2016, 88 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Produção) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2016. RESUMO Este trabalho compara qualitativamente sete métodos de modularização, com o objetivo de escolher e aplicar aqueles que melhor se adaptam ao projeto piloto de modularização de uma suspensão traseira a ar para caminhões e ônibus. Dentre os métodos estudados, os métodos MFD (Modular Function Deployment) e DSM (Design Structure Matrix) foram escolhidos, basicamente em função de possuírem: aplicação prática, repetibilidade dos resultados, softwares disponíveis e facilidade de organização dos dados. O método DSM serviu de base para gerar os primeiros possíveis módulos e simplificar o problema dos inicias 44 componentes para 26, simplesmente com uma visão funcional e técnica. O MFD foi utilizado principalmente para estruturar o processo de modularização e atender aos requisitos dos clientes e estratégias do negócio. Os resultados apresentados pelos dois métodos foram analisados de forma detalhada e indicaram a formação de sete módulos, que foram obtidos tanto diretamente dos métodos DSM e MFD, quanto da combinação de ambos. Ficou evidente, através dos resultados alcançados, que a utilização conjunta desses dois métodos, juntamente com a análise criteriosa dos resultados no desenvolvimento do produto aumentou consideravelmente a eficiência do processo de modularização. PALAVRAS-CHAVE: Modularidade; Módulo; Arquitetura Modular do Produto; Plataforma do Produto; Família de Produtos; Customização em Massa; Variante do Produto. RAMOS, C. C. Analysis and Application of Modularization Methods on Product Development. 2016, 88 p. Dissertation (Master Degree in Production Engineering) – Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 2016. ABSTRACT This work presents and compares qualitatively seven modularization methods, in order to choose and apply those that best suits for a rear air suspension modularization pilot project for trucks and buses. Among the methods studied, the MFD (Modular Function Deployment) and DSM (Design Structure Matrix) methods were mainly chosen on the basis that they present: practical application, repeatability, software availability and ease data organization. The DSM method was the basis to generate the first possible modules and simplify the problem from the initial 44 to 26 components, only with a functional and technical approach. The MFD was mainly used to structure the modularization process and meet the customer requirements and business strategies. The results shown by the two methods were analyzed in detail and resulted in the generation of seven modules, which were obtained either directly from DSM and MFD methods, or from the combination of both. It became evident, by the results achieved, that the combined use of these two methods, along with a careful analysis of the results on product development, greatly increased the modularization process efficiency. KEY WORDS: Modularity; Module; Modular Product Architecture; Product Platform; Product Family; Mass Customization; Product Variant; Flexibility. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - 16 variantes com 3 dimensões de variedade ............................................................ 14 Figura 2 - Modularidade SCANIA ........................................................................................... 15 Figura 3 - Matriz Transversal Modular MQB da Volkswagen ................................................ 16 Figura 4 - Forma simplificada da modularização de um produto único e existente ................. 16 Figura 5 - Modelo de Mitroff et al. (1974). .............................................................................. 20 Figura 6 - Exemplo de mapeamento ......................................................................................... 23 Figura 7 - Interfaces desacopladas e acopladas ........................................................................ 23 Figura 8 - Arquitetura modular e integral ................................................................................. 24 Figura 9 - Tipos de arquitetura modular ................................................................................... 24 Figura 10 - Níveis de funções, soluções técnicas e peças/componentes .................................. 25 Figura 11 - Módulo e modularidade em um sistema modular .................................................. 27 Figura 12 - Tipos de Interface .................................................................................................. 28 Figura 13 - Tipos de funções e módulos em sistema modular e misto ..................................... 29 Figura 14 - Relação entre sistema modular, plataforma e família de produtos ........................ 32 Figura 15 - Padronização x Modularização .............................................................................. 34 Figura 16 - Processo de modularização .................................................................................... 35 Figura 17 - Representação esquemática de uma PMM ............................................................ 40 Figura 18 - Dendograma representando o agrupamento nas matrizes DPM e MIM ................ 41 Figura 19 - Representação esquemática da Matriz de Interface ............................................... 42 Figura 20 - DSM mostrando sequência e módulos................................................................... 44 Figura 21 - Matriz DSM antes e após a aplicação do algoritmo .............................................. 44 Figura 22 - Heurísticas do FSH ................................................................................................ 46 Figura 23 - Heurísticas aplicadas a uma estrutura funcional de uma escova de dente ............. 47 Figura 24 - Estrutura funcional da escova de dentes ................................................................ 49 Figura 25 - Matriz de Interação e de Adequação iniciais ......................................................... 50 Figura 26 - Matrizes após a triangularização............................................................................ 50 Figura 27 - Matrizes após a decomposição completa ............................................................... 51 Figura 28 - DSM Estratégico (E) e DSM Funcional (F) .......................................................... 53 Figura 29 - Representação da Matriz FS-DSM para agrupamento .......................................... 53 Figura 30 - PMM e ePMM com propriedades de Convergência .............................................. 55 Figura 31 - ePMM e DSM. ....................................................................................................... 56 Figura 32 - Suspensões pneumática e metálica ........................................................................ 60 Figura 33 - Suspensão 4x2, 6x2 e 6x4 ...................................................................................... 61 Figura 34 - Passos do MFD ...................................................................................................... 63 Figura 35 - MFD combinado com DSM .................................................................................. 63 Figura 36 - Matriz QFD ............................................................................................................ 67 Figura 37 - DSM aplicado às 44 soluções técnicas .................................................................. 69 Figura 38 - Matriz DPM ........................................................................................................... 71 Figura 39 - Proposta de compatibilidade entre direcionadores estratégicos ............................ 72 Figura 40 - Matriz MIM ........................................................................................................... 73 Figura 41 - Dendograma da DPM e MIM ................................................................................ 74 Figura 42 – Sugestões de agrupamentos obtidos com o DSM ................................................. 77 Figura 43 - Matriz de Interface do conceito modular ............................................................... 79 Figura 44 - PMM do conceito modular .................................................................................... 80 Figura 45 - Padrão proposto para especificação dos módulos .................................................. 81 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Module Drivers conforme MFD ............................................................................. 39 Tabela 2 - Modulo drivers condensados para aplicação em FS-DSM. .................................... 52 Tabela 3 - Critérios para análise qualitativa ............................................................................. 57 Tabela 4 - Qualificação dos métodos de modularização .......................................................... 58 Tabela 5 - Requisitos dos clientes com ponderação ................................................................. 65 Tabela 6 - Propriedades do produto .......................................................................................... 66 Tabela 7 - 44 soluções técnicas ................................................................................................ 68 Tabela 8 - 26 soluções técnicas obtidas do DSM ..................................................................... 70 Tabela 9 - Sugestões de agrupamentos com as ramificações mais baixas ............................... 75 Tabela 10 - Sugestões de agrupamentos com as ramificações mais altas ................................ 76 Tabela 11 - Conceito modular proposto ................................................................................... 78 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS MFD Modular Function Deployment DSM Design Structure Matrix FSH Function Structure Heuristics DA Decomposition Approach FS-DSM Function-Strategy DSM IGTA Idicula-Gutierrez-Thebeau e-ISM Extended Implementation Struccture Matrix B-FES Behavioral-Driven Function-Environment Structure DPM Design Property Matrix QFD Quality Function Deployment MIM Module Indication Matrix PMM Product Management Map MD Module Drivers CR Costumer Requirements PP Product Properties TS Techinical Solutions CPM Convergence Property Matrix QED Extended QFD ePMM Extended PMM SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 14 1.1 OBJETIVOS E DELIMITAÇÕES ............................................................................... 17 1.2 CONTRIBUIÇÕES ...................................................................................................... 18 1.3 METOTOLOGIA DA PESQUISA ............................................................................... 19 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO .................................................................................. 21 2 REFERENCIAL TEÓRICO ............................................................................................ 22 2.1 ARQUITETURA DO PRODUTO ................................................................................ 22 2.2 MÓDULO, MODULARIZAÇÃO E MODULARIDADE ........................................... 26 2.3 PLATAFORMA DO PRODUTO ................................................................................. 31 2.4 MÉTODOS DE MODULARIZAÇÃO ......................................................................... 35 2.4.1 Modular Function Deployment (MFD) .......................................................... 38 2.4.2 Design Structure Matrix (DSM) ...................................................................... 43 2.4.3 Functional Structure Heuristic (FSH) ........................................................... 45 2.4.4 Decomposition Approach (DA) ....................................................................... 48 2.4.5 Function-Strategy DSM (FS-DSM) ................................................................ 51 2.4.6 MFD com Propriedade de Convergência ........................................................ 54 2.4.7 MFD com DSM ................................................................................................ 55 3 ANÁLISE DOS MÉTODOS DE MODULARIZAÇÃO E ESCOLHA PARA APLICAÇÃO ..................................................................................................................... 57 4 APLICAÇÃO DOS MÉTODOS DE MODULARIZAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS .................................................................................................................. 60 4.1 DEFINIÇÃO DOS REQUISITOS DOS CLIENTES ................................................... 64 4.2 SELEÇÃO DAS SOLUÇÕES TÉCNICAS .................................................................. 67 4.3 GERAÇÃO DO CONCEITO MODULAR .................................................................. 72 4.4 ANALISE DO CONCEITO MODULAR ..................................................................... 79 4.5 APERFEIÇOAMENTO DOS MÓDULOS .................................................................. 81 5 COMENTÁRIOS E CONCLUSÕES............................................................................... 82 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 85 13 1 INTRODUÇÃO O Mercado de veículos comerciais é representado por grandes frotistas, vendas a varejo e nichos específicos (veículos especiais com volumes reduzidos). O desafio é satisfazer a todos com excelência em produtos, competitividade e lançamento com curto time to market. Para atingir a este objetivo a maioria das empresas tem optado pela customização em massa, ou seja, fabricação de produtos específicos a custo de produtos padronizados sem comprometer a eficiência, qualidade ou entrega (ELMERAGHY et al., 2013; HU, ZHU, WANG e KOREN, 2008; KOTABE, PARENTE e MURRAY, 2007; FUJITA, 2002). Com isto, as empresas estão experimentando uma série de desafios que mudam as condições do negócio. Primeiro, o foco nas necessidades do cliente leva a produtos personalizados, implicando em gerir maior variedade. Segundo, a concorrência impõe que sejam mais eficientes para reduzir custos, tempo de resposta e aumentar a qualidade. Finalmente, a evolução tecnológica implica em lidar com maiores complexidades e ambientes em constante mudança (ELMARAGHY et al., 2013; MILLER, 2010). Segundo Shamsuzzoha e Petri (2010) e Blackenfelt (2001) devido aos produtos com ciclo de vida mais curto e aumento da competitividade global, as empresas estão revendo e selecionando estratégias apropriadas para este ambiente de negócio, no qual as que possuírem maior velocidade no desenvolvimento ou adaptação dos seus produtos às necessidades do mercado terão maiores chances de sucesso. Verifica-se que para atender as crescentes exigências dos clientes, a variedade do produto tende a aumentar continuamente. Por isto, as empresas devem estar preparadas com flexibilidade e mantendo a gestão da complexidade com phase out adequado dos produtos substitutos. Assim sendo, portfólio de produtos deve ser planejado de tal maneira que cada potencial cliente possa encontrar o que precisa. Segundo Blackenfelt (2001) a variedade é normalmente relacionada a produtos e componentes. Contudo, é importante separar variedade em produtos de variedade em componentes. O primeiro é variedade externa (maximizar) e o segundo interna (minimizar). Ulrich (1995) relaciona variedade do produto à diversidade de opções que o sistema de produção pode oferecer e que é percebida pelos clientes. Miller (1998) distingue variedade em dimensão e variante, como pode ser visto na Figura 1. 14 Figura 1 - 16 variantes com 3 dimensões de variedade Fonte: Miller (1998)  Dimensão de variedade é um aspecto do produto que pode ser variado. Exemplo: dimensões de variedade de rodas/pneus, molas e eixos.  Uma variante descreve um produto com um valor definido dentro de uma dimensão da variedade. Exemplo: as suspensões que podem ser criadas variando rodas/pneus, molas e eixos. As empresas que decidem pela customização em massa e que aumentam a variedade de seus produtos constantemente tornam os processos produtivos complexos. Logo, o fator determinante que torna os sistemas de manufatura dessas empresas e de sua cadeia de suprimentos complexos é a quantidade de peças e as possíveis combinações entre elas, ou seja, estão relacionados com a variedade interna (EFTHYMIOU et al., 2012). Uma forma de atuar na complexidade, gerada com o conceito de customização em massa, é através da padronização que otimiza a aplicação de componentes ou sistemas em diversos produtos, racionalizando a sua utilização. Outra forma é o desenvolvimento de arquitetura modular do produto, na qual uma ampla variedade de produtos ou família de produto pode ser produzida com a combinação de um número limitado de módulos contidos nas plataformas de produto, mantendo custo e complexidade baixos. Desta forma a modularidade consegue balancear padronização e racionalização, que é bom para a empresa, com personalização e flexibilidade, que é bom para os clientes (MILLER, 2010; EAGER, 2010; SHAMSUZZOHA e PETRI, 2010; JOSE e TOLLENAERE, 2005). Blackenfelt (2001) alerta que modularização e padronização, que são frequentemente mencionados no contexto de variedade do produto, têm significados diferentes. Ele diferenciou os dois termos argumentando que modularização é feita ao nível do produto e 15 padronização ao nível de componentes. Padronização pode ter aspectos negativos no atendimento das necessidades dos clientes, pois normalmente não aumenta a variedade de produto, porém reduz custo, que é benéfico para a empresa. Empresas como Scania e Volkswagen Automóveis implementaram o conceito de sistema modular. A Scania tomou a decisão ainda na década de 70, que resultou em uma nova plataforma modular aplicada aos caminhões de 16 a 36 toneladas. Hoje a Scania apresenta uma grande variedade de produtos com alta flexibilidade e com gestão da complexidade – Figura 2 (JOHNSON, 2013). Figura 2 - Modularidade SCANIA Fonte: Johnson (2013) O desenvolvimento de plataforma modular na Volkswagen Automóveis iniciou por volta de 2007 e o resultado foi uma plataforma altamente flexível e sofisticada, denominada MQB, sigla em alemão que significa Matriz Transversal Modular – Figura 3 (ELMARAGHY et al., 2013). 16 Figura 3 - Matriz Transversal Modular MQB da Volkswagen Fonte: Elmaraghy et al (2013) Erixon (1998) define módulo como sendo um bloco de construção com interfaces padronizadas e selecionadas por razões específicas da empresa (estratégia). Ulrich e Eppinger (2008) relacionam os blocos de construção a “pedaços” (chunk) e funções. Eles argumentam que uma arquitetura modular tem as seguintes propriedades: (a) pedaços implementam um ou alguns elementos funcionais e (b) as interações entre os “pedaços” são bem definidas e fundamentais para as funções primárias do produto. Modularização e modularidade têm significados diferentes. A modularização é o método estruturado através do qual um produto pode ser dividido em “pedaços” ou subsistemas menores com função e interfaces bem definidas e padronizadas, que são os módulos, para desenhar a sua arquitetura, neste caso, denominada arquitetura modular ao passo que modularidade é a combinação destes módulos em plataformas para gerar as famílias de produtos – Figura 4 (ULRICH, 1995; ULRICH e EPPINGER, 2008). Figura 4 - Forma simplificada da modularização de um produto único e existente Fonte: Adaptado de Ulrich (1995) e Ulrich e Eppinger (2008) Produto existente Arquitetura Modular Produto Modularizado Aplicação do Método de Modularização Re-design e Definição das Interfaces 17 Existe um campo de pesquisa no qual, são estudados os métodos para a formação destes “pedaços” ou subsistemas menores com agrupamentos coerentes de componentes. Existem vários métodos de modularização sendo discutidos nas universidades e aplicados na indústria. Porém, não existe um consenso sobre qual deles é o melhor. Normalmente, a escolha do método está vinculada ao objetivo da modularização, produto inovador ou existe, cenário e a familiaridade do usuário com o método. Para todos eles, o background e uma equipe multifuncional são requeridos para a coleta de dados e análise dos resultados, que nem sempre são coerentes em função da criticidade das entradas, ou seja, dados inseridos nos métodos para relacionar os componentes e gerar os módulos. 1.1 OBJETIVOS E DELIMITAÇÕES O objetivo geral deste trabalho é analisar e aplicar os princípios da modularização no desenvolvimento da arquitetura do produto para veículos comerciais. O objetivo específico é fazer uma análise criteriosa dos resultados alcançados na aplicação de um projeto piloto de uma suspensão traseira a ar e gerar uma lista de recomendações e apoio a trabalhos futuros de modularização. A inspiração e motivação foram os trabalhos relacionados a métodos de modularização de vários autores, tais como: Gunnar Erixon, Fredrick Börjesson, Katja Höltta-Otto, Michael Blackenfelt e Karl Ulrich. Estes autores estudaram, compararam e aperfeiçoaram diversos métodos, analisando os seus potenciais em gerar candidatos a módulos coerentes com as necessidades da empresa em criar variedade e atender suas estratégias. A investigação dos métodos de modularização é baseada em análises e observações comparativas publicadas por diversos autores em aplicações acadêmicas e em empresas reais. Todas feitas de forma qualitativa. Os métodos de modularização selecionados (MFD combinado com DSM) são aplicados em um projeto piloto de suspensão traseira a ar no qual, as soluções técnicas mais importantes são definidas e conhecidas. Desenvolvimento de plataforma ou família de produtos, ou seja, a modularidade está relacionada a trabalhos futuros. Além disso, não está incluído projeto de componentes ou de interfaces bem como documentações pertinentes aos módulos obtidos. 18 Os módulos gerados com a metodologia são orientativos e devem ser analisados pela equipe de projeto para a definição da arquitetura do produto. Mesmo que fundamental, os requisitos financeiros são discutidos apenas superficialmente. 1.2 CONTRIBUIÇÕES Alinhado às características do mestrado profissional, este trabalho tem o objetivo de gerar contribuições tanto acadêmicas quanto organizacionais. Os resultados acadêmicos são indicados ao relacionar os temas arquitetura do produto, modularidade e plataforma do produto com criação de variedade, redução de complexidade e flexibilidade como oportunidades de pesquisas futuras identificadas na revisão teórica, a saber:  Elmaraght et al. (2013) identificam que o número ótimo de variantes de um produto permanece um desafio. Indicam que ferramentas que orientem os clientes a configurar o produto de forma correta para atender, de forma otimizada, sua aplicação bem como, suportar o vendedor para esta sua orientação ainda precisam de muitas melhorias. Estas ferramentas serviriam para maximizar o valor para os clientes e também, para a empresa.  Börjesson (2012) propõe que os métodos Modular Function Deployment (MFD) e Design Structure Matrix (DSM) sejam aplicados na modularização de produtos novos e seus resultados documentados e divulgados. Sugere que os cinco métodos discutidos neste trabalho sejam reavaliados por uma equipe multifuncional ao invés de uma única pessoa. Argumenta que os resultados podem modificar consideravelmente.  Hölttä-Otto (2005) sugere a aplicação do método de desenvolvimento de plataforma modular em um contexto industrial e em empresas múltiplas. No âmbito organizacional, os resultados esperados são:  Elaborar uma documentação com lista de recomendações e boas práticas obtidas da aplicação dos métodos de modularização para ser utilizado nos desenvolvimentos futuros de arquitetura modular na MAN LA. 19  Difundir o conhecimento adquirido nos estudos de arquitetura, plataforma e famílias de produtos relacionados à modularização e modularidade com treinamento dos engenheiros.  Agregar valor aos desenvolvimentos correntes de modularidade do produto. 1.3 METOTOLOGIA DA PESQUISA Segundo Silva e Menezes (2011) e Gil (2002) a metodologia de pesquisa utilizada pode ser descrita e classificada como de natureza aplicada, pois estrutura o conhecimento para uma aplicação prática da solução de um problema específico, com objetivos exploratórios, pois proporciona maior familiaridade com o problema, abordagem qualitativa e procedimentos técnicos experimental com modelamento e simulação da realidade. Em uma pesquisa qualitativa, as questões são feitas de forma prática em termos de “como” e “por que” alguma coisa acontece. Neste trabalho as questões estão relacionadas à aplicação de métodos de modularização para gerar candidatos a módulos para a otimização da arquitetura do produto em veículos comerciais, tais como:  Os métodos disponíveis podem ser aplicados na modularização de veículo comercial de forma coerente?  Existe um método mais adequado a ser aplicado e uma forma de selecioná-lo?  Métodos testados e avaliados academicamente apresentam bons resultados em quaisquer projetos reais?  Qual a aderência de um modelo científico de simulação de modularização com a realidade da empresa? No modelamento inicial, na fase de conceituação, é feito um levantamento bibliográfico sobre os temas, a saber, customização em massa, arquitetura do produto, módulos, plataforma do produto e métodos de modularização para capturar e mapear as características do problema real. Discussão com profissionais influentes e com grande experiência em desenvolvimento do produto também foi utilizada. Vários modelos existentes foram analisados para selecionar aquele com maior aderência com o problema real na construção do modelo científico. 20 Após esta etapa foi definido um projeto piloto e os dados referentes ao produto, mercado, aplicação, clientes e empresa foram inseridos neste modelo. O projeto definido foi a modularização de uma suspensão traseira a ar. Esta decisão não levou em consideração somente os aspectos técnicos do projeto, mas também análise de benchmark, QFD e ser uma evolução tecnológica necessária para manter a competitividade. Outro ponto relevante foi a familiaridade com todos os sistemas envolvidos. Os módulos gerados a partir da simulação foram analisados levando-se em consideração, funcionalidade, processo produtivo, capacidade de criar variedade do produto e estratégia da empresa. Tipicamente, são feitas várias interações no modelo para ajuste dos dados. Uma vez que os resultados obtidos são satisfatórios o modelo é validado e aplicado. A Figura 5 representa graficamente a metodologia de simulação aplicada. Figura 5 - Modelo de Mitroff et al. (1974). Fonte: Bertrand e Fransoo (2002) Modelo Conceitual Realidade, Situação Atual Modelo Científico Solução Validação F ee d b ac k 21 1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO O trabalho será apresentado em cinco capítulos. O capítulo 2 apresentará a revisão bibliográfica com o estado-da-arte em arquitetura do produto, definições de módulo, modularidade e modularização, plataforma do produto e os principais métodos de modularização. No capítulo 3 os métodos de modularização serão analisados e comparados de forma qualitativa identificando as suas vantagens e desvantagens na aplicação. Será definido o método a ser aplicado na modularização com as justificativas. No capítulo 4 o método definido será aplicado em um projeto piloto e os resultados serão apresentados e discutidos. Os comentários, conclusões e propostas de trabalhos futuros serão apresentadas no capítulo 5. Finalmente têm-se as referências bibliográficas. 22 2 REFERENCIAL TEÓRICO Todo o material coletado e discutido neste capítulo foi baseado em publicações de artigos e teses referentes a desenvolvimento do produto. Serão apresentados definições e conceitos fundamentais para aplicação dos métodos de modularização e os métodos propriamente ditos. Primeiro será apresentado o conceito de arquitetura do produto e em seguida os de módulo, modularidade e modularização, visto que estes conceitos estão entrelaçados e ainda são bastante debatidos. Além disso, o desenvolvimento do produto não se completa sem o entendimento de plataforma do produto no qual a variedade é criada com as famílias de produto. 2.1 ARQUITETURA DO PRODUTO A arquitetura relaciona a funcionalidade do produto aos seus componentes e subsistemas físicos e a maneira como estão conectados e mapeados. Uma boa definição de arquitetura afeta todo o ciclo de vida do produto, sua flexibilidade e seu potencial de customização em massa. O resultado dos métodos de modularização é o agrupamento dos componentes do produto a fim de gerar candidatos a módulos que devem compor uma arquitetura modular do produto. Com um ponto de vista mais pragmático, Ulrich e Tung (1991) introduziram o conceito de arquitetura do produto, que foi definida como a forma pelo qual uma função é incorporada aos componentes físicos. Segundo Ulrich (1995) elementos funcionais são algumas vezes chamados de requerimentos funcionais. O seu arranjo e suas relações são denominados estrutura funcional. Também define componente como uma parte ou sub-montagem física e pode ser pensado como qualquer região distinta do produto. Eles implementam os elementos funcionais do produto. O mapeamento entre os elementos funcionais e componentes podem ser: 1 para 1, vários para 1 ou 1 para vários conforme visto na Figura 6. 23 Figura 6 - Exemplo de mapeamento Fonte: Adaptado de Ulrich (1995) Para que o produto possa exercer a sua função, os componentes precisam ter interações. As interações dos componentes ocorrem por alguma interface física. Interfaces devem envolver conexão geométrica entre dois componentes e podem ser acopladas ou desacopladas. Dois componentes estão acoplados, se uma alteração feita a um componente exige uma mudança no outro para que o produto funcione corretamente de forma global. Para componentes desacoplados, não existe esta dependência – Figura 7 (ULRICH, 1995). Figura 7 - Interfaces desacopladas e acopladas Fonte: Adaptado de Ulrich (1995) Utilizando as informações descritas, Ulrich (1995) define arquitetura do produto, mais precisamente em três estágios: (1) a disposição dos elementos funcionais; (2) o mapeamento dos elementos funcionais nos componentes físicos; (3) a especificação das interfaces entre as interações dos componentes físicos. Ele argumentou que muito da capacidade da flexibilidade de manufatura em produzir variedade não está relacionada aos equipamentos instalados, mas sim à arquitetura do produto. Por isto ele propôs a primeira tipologia para arquitetura como sendo modular e integral – Figura 8. Função 1 Função 2 Função 3 Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Função 1 Sistema 1 Sistema 2 Sistema 3 Função 1 Função 2 Função 3 Sistema 1 Mapeamento 1 para 1 Mapeamento 1 para vários Mapeamento vários para 1 Componente 1 Componente 2 Componente 1 Componente 2 Interface Acoplada Interface Desacoplada 24 Figura 8 - Arquitetura modular e integral Fonte: Adaptado de Ulrich (1995)  Arquitetura Modular – A modificação em um componente não afeta os demais. Existe um mapeamento de 1 para 1 entre os elementos funcionais na estrutura funcional e os componentes físicos no produto. Especifica interfaces desacopladas entre os componentes. É definida na conceituação e não deve ser modificada durante o desenvolvimento do produto. A obtenção de variedade do produto não está relacionada aos equipamentos de produção.  Arquitetura Integral – Tem foco na otimização das características (ou performance do produto). Modificações em um componente afeta os demais. Apresenta mapeamento complexo (não 1 para 1) entre os elementos funcionais na estrutura funcional e os componentes físicos no produto. As interfaces são normalmente acopladas entre os componentes. É modificada durante toda a fase de desenvolvimento do produto. A variedade do produto está relacionada à capacidade dos equipamentos instalados de serem flexíveis. Ulrich (1995) complementa dividindo arquitetura modular em três tipos: Bus, Sectional e Slot – Figura 9. Figura 9 - Tipos de arquitetura modular Fonte: Adaptada de Ulrich (1995) Arquitetura modular Bus Arquitetura modular Sectional Arquitetura modular Slot 25  Bus - Existe um módulo central em que os vários componentes conectam utilizando o mesmo tipo de interface.  Sectional - Todas as interfaces são do mesmo tipo porem, diferente da Bus, não existe um módulo comum no qual os vários componentes se conectam.  Slot - Cada interface entre os componentes em uma arquitetura Slot é de tipo diferente das outras. Desta forma, os vários componentes não podem ser intercambiados. Para Stone, Wood, e Crawford (2000), arquitetura do produto é, em sua essência, a transformação da função do produto em produto. Ela se baseia nas necessidades do cliente e seu mapeamento em um modelo funcional do produto. Blackenfelt (2001) apresenta uma definição de Hubka e Eder (1988) relacionando arquitetura a um sistema técnico e com interação ao meio ambiente. Define arquitetura como o conjunto de elementos que são conectados internamente e ao meio ambiente, designado a cumprir uma transformação. E diz que os artefatos são descritos baseados em três tipos de elementos: funcionais, soluções técnicas e peças/componentes – Figura 10. Figura 10 - Níveis de funções, soluções técnicas e peças/componentes Fonte: Adaptado de Blackenfelt (2001) Funções Soluções Técnicas Peças e Componentes 26 Dahmus, Gonzalez-Zugasti e Otto (2001) propõem uma arquitetura de portfólio de produtos. A proposta se baseia em desenvolver a estrutura funcional de cada produto, identificando as funções únicas e comuns e, após isto, aplicar regras para determinar candidatos a módulos e possibilidades de arquiteturas. Cada arquitetura é representada em uma matriz de Funções x Produto com as funções que são compartilhadas e únicas identificadas. A partir desta análise a melhor arquitetura de portfólio de produtos é definida. Hölttä-Otto (2005) relaciona arquitetura a um sistema com representação abstrata e adiciona entidades não físicas. A parte comum das definições é a disposição ou mapeamento dos elementos do produto. Mostra que existem várias maneiras de representar um produto, sistema ou arquitetura. Todas as representações concentram-se na decomposição física (componentes ou subsistemas) e funcional (funções do produto). Sua definição de arquitetura é: “A arquitetura de um sistema é uma descrição abstrata das entidades de um sistema e as relações entre essas entidades e o esquema pelo qual essas entidades são mapeadas em grandes subsistemas físicos ou não físicos de um sistema”. 2.2 MÓDULO, MODULARIZAÇÃO E MODULARIDADE Neste item, serão analisadas as várias definições e relações entre módulo, modularização e modularidade sob o ponto de vista de vários autores. Apesar de serem muito usados na indústria, existem conflitos em seus significados e por isso devem ser analisados em relação a um sistema modular. Os conceitos serão relacionados a arquitetura e plataforma do produto, seus benefício e riscos. Em um sistema modular, um módulo está normalmente relacionado a uma unidade funcional independente em relação ao propósito do produto do qual faz parte, ou seja, a função é realizada dentro do próprio módulo e limita-se a este e, além disso, deve atender às estratégias da empresa. Modularização é a atividade na qual a estruturação em módulos é adotada, ou seja, um sistema complexo é estruturado em vários subsistemas independentes (módulos). Modularidade é a capacidade de criar produtos complexos através da combinação de módulos relativamente simples, o que implica um padrão comum para interfaces e interações. Estes módulos são, normalmente organizados em plataforma de onde as famílias de produtos são geradas (MILLER, 1998; ERIXON, 1998). A Figura 11 ilustra estas relações. 27 Figura 11 - Módulo e modularidade em um sistema modular Fonte: Modular Management A Estratégia da modularização deve se estender à planta de produção. Quando o produto é modularizado, a fábrica deve ser adaptada adequadamente para permitir a melhor disposição e sequencia de montagem (ERIXON, 1998). Em um pensamento similar, Prieto e Miguel (2011) e Ulrich (1995) abordam que a terceirização também é um fator importante na modularização do produto. Argumentam que as empresas devem dividir a organização do desenvolvimento e da produção em grupos especializados com foco na modularidade. Esta estrutura, normalmente se estende para os principais fornecedores para ter sinergia e principalmente dividir os riscos. Existem várias outras definições, todas muito próximas e relacionadas ao agrupamento de componentes, funcionalidade, interfaces/interações, independência/insensibilidade e estratégia da empresa. A intercambiabilidade dos módulos nem sempre é assegurada. Para Miller (1998), apesar de a maioria afirmar que módulos são intercambiáveis, módulos só podem ser intercambiáveis se possuírem interfaces e interações compatíveis e define estas duas entidades como:  Interfaces são os limites dos módulos frente aos outros e alguns tipos relevantes são: 1) interfaces funcionais que seguem a atribuição de funcionalidade; 2) interfaces mecânicas, como conectores, tomadas de corrente, superfícies, etc; 3) interfaces elétricas, como a comunicação, sinais ou potência. 2. Atender ao cliente e estratégia da empresa. 3. Interfaces e interações padronizadas e bem definidas 1. Função independente Sistema Modular Módulos Modularização Modularidade 28  Interações descrevem as relações de entrada/saída entre os módulos e estas relações precisam ser compatíveis. As relações podem ser dos seguintes tipos: 1) energia; 2) informação; 3) material e/ou 4) espacial. Outra classificação de interface, bastante difundida na literatura, é proposta por Lange (2008) e está apresentada na Figura 12. Figura 12 - Tipos de Interface Fonte: Adaptado de Lange (2008) e Archer (2010) Blackenfelt (2001) introduziu os conceitos de independência e insensibilidade. E definiu estes conceitos como:  Conceito de independência: significa que cada módulo pode ser trocado ou mesmo removido sem qualquer efeito funcional no resto do sistema.  Conceito de insensibilidade: refere-se ao fato dos parâmetros de um módulo poderem ser trocados sem afetar o resto do sistema. Um produto desenvolvido com arquitetura modular, geralmente não é formado apenas por módulos. Pahl e Beitz (1996) vinculam diretamente a definição de módulo a funcionalidade e mostram diferentes tipos de módulos baseado em uma série de funções (básica, auxiliar, especial e adaptativa). Consideram módulo a realização de uma função e mostram que um sistema misto engloba um sistema modular com a adição da função T ip o s d e In te rf ac e C - Interface de controle e comando: um módulo envia um sinal de comando para um outro. E - Interface de ambiente: ocorre nas situações nas quais a limitação é imposta pelo ambiente em que o módulo está inserido, exceto pelos outros módulos do próprio produto. F - Interface de campo: um outro módulo do produto é quem impõem as limitações. A - Interface de conexão: conecta fisicamente um módulo ao outro. S - Interface espacial: nesta interface não há necessidade de contato físico entre módulos. Um módulo limita espacialmente o outro. T- Interface de transferência: um módulo transfere matéria ou energia para outro módulo. 29 específica/customizada para gerar variedade do produto. A Figura 13 ilustra estes tipos de módulos e não-módulos nos sistemas modular e misto. Figura 13 - Tipos de funções e módulos em sistema modular e misto Fonte: Pahl e Beitz (1996) Muffato (1999) relaciona módulo a conjunto de componentes coerentes e descreve um módulo como um grande grupo de componentes que estão fisicamente coerentes como um subconjunto e que apresenta interfaces bem definidas e padronizadas. Erixon (1998) e Blackenfelt (2001) relacionam produto modular e modularidade à estratégia da empresa. Define um produto modular como sendo composto de módulos com interfaces bem definidas onde os módulos são gerados baseados em razões e propósitos específicos ou estratégias. Höltta-Otto (2005) diz que existe consenso de que um produto mais modular é um com mais módulos e que estão mais perto do “módulo ideal", mas não existe acordo da definição de um “módulo ideal”. Ela define módulo como um bloco de construção independente de um Funções Gerais VARIANTES Funções Básicas Funções Auxiliares Funções Especiais Funções de Adaptação Funções específicas/ customizadas Módulo Básico Módulo Auxiliar Módulo Especial Módulo de Adaptação Não - Módulo básicas, recorrentes, gerais posicionadoras, conectoras especiais, complementares, extensivas sem definição precisa em todas as partes imprevisíveis implementação das variantes Conjunto Máquina UnidadeSistema Modular Sistema Misto Módulo Essencial ou Obrigatório Módulo Opcional ou Possível Somente para casos especiais, leva a sistemas mistos 30 sistema maior, com função específica e interfaces bem definidas, podendo ser desenvolvido de forma simultânea com os demais módulos. Börjesson (2012) relaciona módulo e modularidade no contexto da arquitetura do produto e soluções técnicas enfatizando que os módulos devem ser definidos como grupos de soluções técnicas que realizam uma ou várias funções e que têm uma interface padronizada com demais módulos ou produto e a modularidade implica padronizar as interfaces e definir a arquitetura modular. Jose e Tollenaere (2005) relacionam modularidade ao processo de decomposição de sistemas complexos em partes mais simples. Shamsuzzoho e Petri (2010) definem modularidade como a oportunidade de misturar e combinar componentes mais simples num design de produto modular na qual as interfaces entre os componentes são padronizadas para permitir que os componentes possam ser substituídos na arquitetura do produto e criar variedade. Para a criação dos módulos e desenvolvimento de arquitetura modular, as características mais importantes foram apresentadas por Ulrich e Tung (1991). Eles explicaram que modularidade surge a partir da divisão de um produto em componentes ou submontagens independentes, e modularização do produto é definida utilizando duas características:  similaridade entre a arquitetura física e funcional do produto;  minimização do grau de interação entre os componentes físicos. São nestas características que se baseiam os processos de modularidade com adaptações em função de estratégias específicas da empresa. Hölttä-Otto (2005) e Okudan e Gupta (2013) apresentam um conjunto de benefícios e riscos vinculados à aplicação de estratégias modulares. Benefícios da estratégia modular:  permite ao cliente combinar variedade de opções;  permite projeto flexível ou seja, evolução do produto ao longo do ciclo de vida e menor custo da implementação de produtos derivados;  permite desenvolvimento de caráter global mas que atende requisitos regionais;  reduz o custo do timing de desenvolvimento (engenharia simultânea); 31  facilita o upgrade do produto;  gerenciamento de modificações, melhorias/inovações e variedade;  padronização de componentes do produto. Riscos da estratégia modular:  pode levar a custos excessivo devido a overdesign;  desempenho ineficiente - trade off desempenho x custo;  muitos módulos comuns podem resultar em perda de identidade da marca;  deve ser desenhado com redundância para poder ser utilizado em vários produtos compartilhando funções o que normalmente aumenta o custo;  pode não ser desejado em projetos de alto desempenho. Quanto mais modular o projeto, maior a possibilidade de ser maior e mais pesado e menos eficiente em energia. 2.3 PLATAFORMA DO PRODUTO Uma arquitetura modular do produto define um sistema modular e representa o mapeamento das funções dos módulos ao produto com suas interfaces e interações. A variedade do produto é gerada com as combinações destes módulos em famílias e o conjunto destes módulos é agrupado em plataformas do produto. O desenvolvimento de plataforma do produto não é objetivo desse trabalho, porém está relacionado a trabalhos futuros. Neste item, serão apresentadas as definições, os benefícios, tipos e classificação além de alguns métodos para desenvolvimento de plataformas. Blackenfelt (2001) e Muffatto (1999) apresentam uma forma de entender melhor a interação entre sistema modular, plataforma do produto e família de produtos. O sistema modular inclui todos os módulos que são utilizados para criar todas as variantes do produto. Plataforma modular é visto como um conjunto de módulos comuns que são compartilhados entre os produtos. Família de produtos é o conjunto de produtos que compartilham tecnologia comum e relativamente a mesma aplicação no mercado, baseadas no sistema modular e na mesma plataforma. Deste modo, um sistema modular tem uma plataforma que resulta em uma família. Esta ilustração pode ser vista na Figura 14. 32 Figura 14 - Relação entre sistema modular, plataforma e família de produtos Fonte: Adaptado de Blackenfelt (2001) Robertson, Lane e Ulrich (1998) fazem uma definição genérica de plataforma de produto como sendo o conjunto de ativos que são compartilhados por um conjunto de produtos. Divide estes ativos em seis categorias: componentes, módulos, processo tecnológico, pessoas e relacionamento. Quando estes ativos são módulos, Jose e Tollenaere (2005) dizem que a utilização de módulos compartilhados entre diferentes produtos é conhecida como plataforma modular. Hölttä-Otto (2005) argumenta que arquitetura modular é a base para o desenvolvimento de plataforma modular e a define como o conjunto comum de módulos físicos ou não físicos a partir do qual vários produtos podem ser derivados. Projetar variedade de produtos dentro de uma plataforma robusta reduz os custos de engenharia e time to market, aumenta o portfólio de produtos e a participação de mercado. A plataforma modular pode ser vista como um conjunto de módulos de uma arquitetura modular de produto que representa o núcleo base de uma família de produtos. A plataforma é adaptada com diferentes módulos adicionais para criar novas variantes do produto (ELMARAGHY et al., 2013). 33 Existem vários métodos para desenhar e otimizar uma plataforma. A maioria deles apresentam fases de estudo de mercado com definição de funcionalidade, segmentação e da padronização de produtos. Hölttä-Otto (2005) cita existirem dois tipos e adiciona um outra distinção:  Top-Down: mais orientada para o negócio.  Botton-up: com maior orientação técnica. Outra forma seria distinguir entre plataforma baseada em escala e plataforma baseada em módulos.  Baseada em escala: os produtos compartilham a funcionalidade, mas todos com diferentes níveis de desempenho. São definidas variáveis físicas ou de desempenho para gerar variedade de produto – Nayak et al. (2000) utilizam um método definido como VBPDM (Variation-Based Plataform Design Methodology) que tem como objetivo atender a uma grande range de requerimento em performance utilizando a menor quantidade de variantes do design do produto em uma família. Fellini (2000) também otimiza a plataforma baseado em desempenho. Propõe um método que utiliza uma formulação de problema com Pareto Multiobjetivo que captura trade- offs de desempenho que ocorrem quando os componentes são compartilhados.  Baseada em módulos: os produtos compartilham módulos comuns, mas devem ou podem ter diferente funcionalidade. A variedade é definida com a diferente configuração dos módulos no produto – Hölttä-Otto, Tang e Otto (2008) e Holtta, Tang e Seering (2003) identificam os módulos comuns a serem compartilhados entre famílias de produtos utilizando um algoritmo quantitativo que compara diferentes módulos baseado na sua “distância aritmética“ entre input e output dos módulos candidatos. O agrupamento é feito baseado nesta distância. Utiliza dendograma para identificar os grupos de módulos similares em uma família de produtos na fase de design da arquitetura do produto. Em um desenvolvimento de arquitetura modular, o foco é o desenvolvimento de plataformas baseadas em módulos. Wei e Liu (2015) argumentam que o principal desafio da plataforma baseada em módulo é definir quais componentes devem ser agrupados para gerar os módulos e quais módulos serão padrão ou diferenciadores. 34 A decisão de quais módulos e ativos devem ser único ou padrão entre os produtos obedece a uma análise de custos complexa e uma boa análise não deve considerar apenas a facilidade de adaptação da plataforma para desenvolver outros produtos ou redução de custo, mas também a maximização dos benefícios econômicos da redução do número do total de ativos diferentes. Segundo Jose e Tollenaere (2005), na seleção da plataforma, devem existir um balanço no número de módulos comuns e dos módulos de diferenciação. Argumentam que o foco deve ser conseguir o máximo de componentes padronizados sem afetar a capacidade de desenvolver os produtos necessários e atender a customização em massa. Esta relação pode ser vista na Figura 15. Figura 15 - Padronização x Modularização Fonte: Adaptado de Jose e Tollenaere (2005) Os benefícios das plataformas são semelhantes aos de modularidade, pois os módulos são muitas vezes utilizados para criar plataformas modulares ou variantes do produto. Hölttä- Otto (2005), Muffato (1999) e Robertson, Lane e Ulrich (1998), listam os seguintes benefícios:  maior capacidade de adaptar produtos às necessidades dos segmentos de mercado e clientes diferentes;  redução no custo, tempo e risco de desenvolvimento;  redução do investimento na produção e otimização/flexibilidade do uso de plantas;  redução na complexidade sistêmica; Baixo custo Baixa diversidade Baixo custo Alta diversidade Alto custo Baixa diversidade Alto custo Alta diversidade Modularização P ad ro n iz aç ão 35  redução de custos com recursos em escala mundial;  redução do número de plataformas em função de estratégia global;  melhor serviceability. 2.4 MÉTODOS DE MODULARIZAÇÃO Arquitetura modular do produto é caracterizada pela existência de interfaces padronizadas entre os blocos de construção que possuem funções específicas e são definidos e selecionados para atender à estratégia da empresa, neste caso, os blocos de construção são denominados módulos. Modularização são os métodos estruturados que agrupam os componentes ou soluções técnicas e definem os candidatos a módulos utilizando informações do cliente, físicas ou geométricas, funcionais e estratégicas para desenhar ou otimizar/aperfeiçoar a arquitetura do protudo (ERIXON, 1996; BLACKENFELT, 2001; BORJESSON, 2012). A Figura 16 representa este processo. Figura 16 - Processo de modularização Fonte: Adaptado de Erixon (1996) e Borjesson (2012) Neste item serão analisados os principais métodos de modularização aplicados em empresas e academicamente para o desenvolvimento de arquitetura modular do produto. Os métodos abordados serão: (1) Modular Function Deployment (MFD), (2) Design Structure Matrix (DSM), (3) Function Structure Heuristics (FSH), (4) Decomposition Approach (DA), Método de Modularização Projeto de Modularidade Compatibilidade e Similaridade Funcionalidade e Estrutura Funcional Estratégias da Empresa e requisitos dos clientes Componentes e Soluções Técnicas Candidatos a Módulos Arquitetura Modular 36 (5) Function-Strategy DSM (FS-DSM), (6) MFD com adição de propriedades de convergência e (7) MFD aplicado ao mesmo tempo com DSM. Os três primeiros são considerados métodos fundamentais e seus conjuntos de vantagens e desvantagens serão explorados neste trabalho. Os quatro últimos são métodos híbridos dos três primeiros, ou seja, são obtidos da combinação dos métodos fundamentais ou do aperfeiçoamento destes. Borjesso e Kajta Hölttä-Otto (2013) argumentam que, baseadas no formato dos dados, em geral, os métodos de modularização podem ser divididos em duas categorias:  Métodos baseados em matrizes.  Métodos baseados em estruturas gráficas de funções. Quando se utiliza matriz, a geração dos módulos é feita com o auxílio de algoritmos computacionais, quando em formato de estrutura de funções, utilizam-se heurísticas pré- definidas. Independentemente do formato dos dados, os métodos podem ser divididos em métodos baseados em acoplamento ou similaridade, como indicado a seguir:  Métodos baseados em acoplamento – agrupam os elementos em um módulo maximizando o acoplamento ou conectividade destes elementos dentro do módulo enquanto objetiva minimizar o acoplamento entre os módulos. O algorítimo Idicula-Gutierrez-Thebeau (IGTA) pode ser utilizado para o agrupamento. Ex.: DSM e DA.  Métodos baseados em similaridade – definem o módulo baseado em similaridade ou dissimilaridade entre propriedades do produto e direcionadores de estratégia. Isolam elementos em um módulo se eles são diferentes dos demais, mas similar um com os outros. Normalmente utiliza algoritmos de agrupamento hierárquico e apresenta os resultados em forma de dendograma que é uma ordenação hierárquica gráfica em formato de árvore que mostra a similaridade dos componentes. Ex.: MFD. Todos os métodos de modularização devem representar um modelo da realidade que capture os aspectos do produto que tenha implicação com a definição da sua arquitetura. Não existe consenso sobre qual método é o melhor, depende do produto, cenário, mercado, estratégia da empresa e da experiência da equipe em projeto em modularidade. Por este motivo, algumas publicações apenas comparam os métodos existentes, aperfeiçoam e indicam novas melhorias em trabalhos futuros. 37 Hölttä e Solonen (2003) comparam três métodos, FSH, MFD e DSM. A escolha destes métodos foi motivada por serem bem estabelecidos academicamente e com aplicação industrial. Um dos critérios utilizado foi a repetibilidade dos métodos utilizando os mesmos dados de entrada, porém aplicados por pessoas diversas. O resultado deste trabalho mostrou que a maior repetibilidade foi obtida aplicando FSH, porém faz algumas considerações sobre a dificuldade em desenhar uma estrutura funcional do produto de forma adequada. Borjesson (2009) analisa a aplicação do método MFD e argumenta que muitas vezes os primeiro resultados simplesmente parecem não fazer sentido. Para melhorar esta condição, propõe a adição de propriedades de convergência ao método que são um grupo de dados que são inseridos no modelo e verificados durante o processo de agrupamento hierárquico. Com este aperfeiçoamento, a quantidade de interação manual e ajustes no modelo de modularização diminuem consideravelmente. Os resultados de Hölttä-Otto e Solonen (2003) motivaram Borjesson (2010) a investigar se métodos híbridos podem apresentar resultados superiores aos métodos que os deram origem. Utiliza um conjunto de fatores para comparar qualitativamente cinco métodos de modularização, dois deles híbridos de DSM e MFD: FSH, DSM, MFD, FS-DSM (híbrido de DSM e MFD) e Extended Implementation Struccture Matrix (e-ISM – híbrido de MFD). Na sua análise, conclui que os métodos híbridos apresentaram o mesmo conjunto de vantagens e desvantagens que os métodos que o deram origem e podem ser aplicados adequadamente na geração de candidatos a módulos. Archer e Scalice (2010) também se basearam em Hölttä-Otto e Solonen (2003) para comparar os métodos MFD, DSM e FSH. Aplicaram e compararam os métodos no projeto de uma nova máquina de lavar roupas com foco em criar variedade e um produto ambientalmente amigável (Design for Environment - DfE). Os resultados corroboraram as observações de Hölttä-Otto e Solonen (2003). Okudan e Gupta (2013) comparam três métodos: FSH, Behavioral-driven Function- Environment Structure (B-FES) e DA. Em que aplicaram os métodos no desenvolvimento de arquitetura modular de uma escova de dente eletrônica e uma bicicleta. Seus resultados mostraram que o método DA apresenta melhores resultados em Design for Assembly (DfA) que são projetos desenvolvidos focados em otimização do processo de montagem além de complexidade e Design for Variety (DfV) que engloba os projetos modulares focados no aumento da variedade do produto com gerenciamento da complexidade. 38 À medida que os métodos evoluem, os esforços computacionais para a solução do problema de geração dos módulos ficam maiores e novos algoritmos são criados ou aperfeiçoados. Borjesson e Katja Hölltä-Otto (2012) apresentaram uma evolução no algoritmo IGTA (Idicula-Gutierrez-Thebeau) utilizado no agrupamento de DSM para aumentar sua velocidade na execução. Borjesson e Hölttä-Otto (2013) ainda propõem outro aprimoramento no método IGTA para poder agrupar, ao mesmo tempo, método baseado em acoplamento (DSM) e em similaridade (MFD). O método MFD, em função dos elementos de sua matriz terem uma relação de similaridade são agrupados utilizando métodos de agrupamento hierárquico. Estes métodos não conseguem agrupar os elementos da matriz DSM em função de sua relação de acoplamento. 2.4.1 Modular Function Deployment (MFD) O método MFD foi apresentado por Erixon et al. (1996) e Erixon (1998) e posteriormente melhorado por Nilsson e Erixon (1998). O método foi baseado em pesquisas de modularização e modularidade realizadas na década de 1990. Sugere uma série de critérios para agrupamento de componentes ou funções em um módulo. Estes critérios são denominados Direcionadores Estratégicos (Module Drivers – MD) e são exclusivos do MFD. Os Module Drivers são bastante genéricos e descrevem a intenção estratégica da empresa com a modularização abrangendo o produto em todo o seu ciclo de vida. Normalmente são em número de 12 podendo ser adaptado em função da realidade específica de cada empresa, como as estratégias de negócios, limitações financeiras e legislações locais. Veja na Tabela 1 a descrição dos MD. 39 Tabela 1 - Module Drivers conforme MFD Fonte: Adaptado de Marcelo Bataglin (2012) e Erixon et al. (1996) Este é um método matricial que utiliza três matrizes interligadas para integrar a voz do cliente (Requerimentos dos Clientes), a voz da engenharia (Propriedades do Produto e Soluções Técnicas) e a voz da empresa (Estratégias). Estas matrizes são o Desdobramento da Função Modular (Quality Function Deployment – QFD), Matriz de Propriedade do Produto (Design Property Matrix – DPM) e Matriz de Indicação de Módulos (Module Indication Matrix – MIM) que formam o Mapa de Gerenciamento do Produto (Product Management Map – PMM). A Figura 17 mostra uma representação esquemática da PMM. 40 Figura 17 - Representação esquemática de uma PMM Fonte: Adaptada de Borjesson (2010) A geração de candidatos a módulos utilizando o MFD consiste em cinco passos conforme descritos abaixo: Primeiro passo – Definir os requisitos dos clientes: elaborar uma lista com os requerimentos dos clientes (CR) e definir propriedades do produto (PP) que sejam mensuráveis e controláveis para atender a estas exigências. Correlacionar os requerimentos dos clientes com as propriedades do produto utilizando a matriz QFD. Os elementos das matrizes são correlacionados com pontuação de 0, 1, 3 ou 9 dependendo de como a propriedade do produto impacta no requerimento do cliente. Segundo passo – Selecionar as soluções técnicas: decompor o produto em soluções técnicas (TS) para atender às propriedades do produto (PP) e descrever como cada TS impacta no desempenho das PP em particular. Para esta correlação é utilizada a matriz DPM. Várias soluções técnicas podem ser propostas para uma mesma PP e nestes casos, devem ser utilizadas técnicas para decidir qual utilizar. Uma delas é a matriz de Pugh, na qual as vantagens e desvantagens das diferentes alternativas são pontuadas e ranqueadas. A correlação dos elementos na matriz DPM é similar a apresentada na matriz QFD. Quality Function Deployment (QFD) Module Drivers (MD) T ec h in ic a l S o lu ti o n s (T S ) C u st . R eq . (C R ) Product Properties (PP) Design Property Matrix (DPM) Module Indication Matrix (MIM) CR-PP (QFD) PP-TS (DPM) TS-MD (MIM) 41 Terceiro passo – Gerar o conceito modular: correlacionar as soluções técnicas (TS) com os objetivos ou intenção estratégica da empresa em modularização utilizando os direcionadores estratégicos (Module Drivers – MD). Esta correlação é feita utilizando a matriz MIM. Cada TS é analisada comparando com os direcionadores de modularização pontuando com 0, 1, 3 e 9. Direcionadores que suportam a mesma estratégia são ditos compatíveis. MFD propõe que um módulo só pode ser composto de soluções técnicas com MD compatíveis. Nesta fase, os candidatos a módulos são gerados e definidos aplicando software de clusterização hierárquica nas matrizes DPM e MIM. A visualização é feita através de dendogramas que não prescrevem o número de módulos. Estes devem ser interpretados pela equipe envolvida no projeto. A Figura 18 mostra como fica a representação da matriz DPM e MIM com o agrupamento representado por dendograma. Figura 18 - Dendograma representando o agrupamento nas matrizes DPM e MIM Fonte: Borjesson (2012) Quarto passo – Analisar o conceito modular: definir a relação de interação e interface entre os módulos gerados. Módulos devem possuir interfaces e interações padronizadas. Estas definições são a condição para o sucesso do projeto de modularidade. Para esta análise é Algorítimo de agrupamento aplicado a Design Property Matrix (DPM)... Im p ac t R es is te n ce ( k J/ m m 2 ) M at er ia l (p ro p er ty s et ) M ec h an ic al s tr en g h t C h em ic al r es is ta n ce S iz e o f p ro d u ct S h ap e o f p ro d u ct E rg o n o m ic s h ap e S ty li n g s h ap e L ea k ag e (m m 2 ) C o lo r S u rf ac e te x tu re ( V D I) N o o f o p er at io n s C h an g e ti m e (m in ) W ei g h t (k g ) E n er g y p o te n ci al ( V o lt ) N o o f se p ar ab le p ar ts In fo rm at io n c le ar n es s F o rc e to i n se rt ( N ) M ai n s co m p ac ta b il it y ( w at t) A ir f lo w ( l/ m in ) E n er g y c o n su m p ti o n F o rc e to o p en ( N ) S h ap e o f in le t U se fu ll m ac h in e (h o u rs ) S u ct io n S iz e o p f in le t F il tr at io n ( % r em o v ed p ar ti cl es ) V o lu m e (l ) Dust container Charger plug Container structure Charger socket Nozzle Container release button Container styling On/off switch battery pack Charge indicator Clamshell left/right On/off button Handle Shell base Shell Handheld docking unit Shell base Charger base plate Motor & fan Cable to battery Crevice Nozzle PCB Dust filter Wall mounting Charger cover Power plug Wall mounting Dust flap Handheld docking unit Nozzle Adaptor (transformer) Crevice Nozzle Container release button Battery pack Charge indicator Adaptor (transformer) On/off switch Motor & fan Charge plug Container structure Charge socket Dust filter Dust flap Shell on/off button Change cover Power plug Container styling PCB Clamshell left/right Charger base plate Handle Cable to battery Dust container 0 1 3 9 ... e o dendograma resultante é um input chave para a geração de módulos 42 utilizado a matriz de interface (Interface Matriz – MI), na qual os módulos obtidos são listados conforme sua sequencia de montagem e correlacionados um contra o outro baseado na classificação das interfaces. Uma proposta é utilizar as 6 classes conforme Lange (2008). A representação também permite identificar o tipo de montagem ou conexão entre os módulos. Duas possibilidades podem ser encontradas: montagem do tipo hambúrguer (indicado para montagens automatizadas), os componentes são inseridos em uma sequência na qual um componente é depositado sobre o outro e do tipo unidade base (indicado para montagens manuais), utiliza um componente como peça base e encaixe, suportando os demais. Com as informações das Nesta etapa é também gerado o PMM (Product Management Map) que possui toda a trajetória do processo de modularização. A Figura 19 mostra como é a matriz de interface. Figura 19 - Representação esquemática da Matriz de Interface Fonte: Adaptado de Erixon et al. (1996) Quinto passo – Aperfeiçoar os módulos: nesta fase, todas as informações relevantes à formação dos módulos, tais como, requisitos do cliente, propriedade do produto, soluções técnicas, estratégias da empresa e tipo de interfaces são tabeladas para auxiliar no desenvolvimento e projeto dos módulos além de servir de documento de comunicação com as demais áreas da empresa. O PMM, dendograma e MI são utilizados na elaboração deste documento. Módulo 1 Módulo 2 Módulo 3 Módulo 4 Módulo 5 Módulo 6 C,A E C,T A,T A,S C E,S A,T C – Controle/Comunicação E – Meio Ambiente F – Campo A – Fixação S – Espacial T – Transferência Montagem tipo “Hanburger” Montagem tipo “Unidade Base” 43 Todas estas informações devem ser planilhadas de forma a difundir as informações para as demais atividades do projeto e empresa. As informações são obtidas através da matriz PMM, MI e dendograma. Machado e Maziero (2014) aplicaram o método MFD em um rachador de lenha com objetivo em manufatura e montagem. O dendograma foi analisado com estas estratégias para a definição dos módulos e várias propostas de módulos foram feitas focadas em decisões de produção interna ou compra de componentes ou subsistemas para a otimização da arquitetura. 2.4.2 Design Structure Matrix (DSM) DSM utiliza uma matriz para analisar e correlacionar as dependências existentes entre componentes, funções ou soluções técnicas de um produto. O método se baseia em adicionar estes elementos, na mesma sequencia, às linhas e colunas da matriz e analisar um contra o outro. Não leva em consideração os requerimentos dos clientes ou estratégia da empresa. Pimmler e Eppinger (1994) introduziram uma representação, na qual as correlações são feitas em termos de energia (E), material (M), informação (I) ou relações espaciais (S) utilizando os coeficientes -2, -1, 0, 1 ou 2 dependendo da força da relação e se a relação é benéfica ou indesejada. Uma vez que a matriz é preenchida, um algoritmo é utilizado para agrupar os elementos de forma que as interações dentro do grupo sejam maximizadas e entre os grupos minimizadas. Estes grupos formados são candidatos a módulos. Blackenfelt (2001) propôs pela primeira vez adicionar estratégia aos acoplamentos dos componentes utilizando duas matrizes DSM acopladas. As informações estratégicas foram obtidas dos Module Drivers (MD) do método MFD, porém combinando em 4 grupos em função de sua compatibilidade. Segundo Hölttä-Otto (2005) e Borjesson (2010), DSM é um método tipicamente utilizado para definir a sequencia ideal das atividades ou organizar equipes para minimizar interações desnecessárias no projeto durante o processo de desenvolvimento do produto, podendo também definir módulos em uma arquitetura quando os elementos da matriz são componentes do produto. Hölttä-Otto (2005) aplica o método utilizando apenas “0” ou “1” (podendo ser representado por um “X”) na matriz para correlacionar as dependências. A Figura 20 mostra como DSM pode ser analisado com estes dois pontos de vista. 44 Figura 20 - DSM mostrando sequência e módulos Fonte: Adaptado de Borjesson (2010) e Hölttä-Otto (2005) Diferente do MFD, no qual o agrupamento é baseado em similaridade, no DSM é baseado apenas em acoplamento ou dependência e métodos de agrupamento hierárquico não podem ser utilizados (BORJESSON, 2012). De uma forma simplificada, a estratégia do algoritmo em DSM é baseada em reordenar as linhas e colunas de forma que as marcas fiquem o mais próximo possível da diagonal ou que formem grupos com outras marcações. O algorítimo Idicula-Gutierrez-Thebeau (IGTA) pode ser utilizado para o agrupamento. A Figura 21 mostra uma representação simplificada do DSM antes e após a aplicação do algoritmo. Figura 21 - Matriz DSM antes e após a aplicação do algoritmo Fonte: Hölttä-Otto (2005) Elementos da Decomposição E le m en to s d a D ec o m p o si çã o A X B X C X D E X X F Sequencial Paralelo Acoplados (Módulo) 1 2 3 4 5 6 1 1 1 2 1 3 1 4 1 1 5 1 1 6 1 1 1 2 5 4 6 3 1 1 1 2 1 5 1 1 4 1 1 6 1 1 3 1 DSM antes do agrupamento DSM agrupado e com indicação de módulos 45 Podem ocorrer sobreposições de elementos ou alguns ficarem fora dos grupos. Nestes casos, a equipe do projeto de modularização deve decidir como lidar com estas situações, podendo duplicar os elementos forçando a entrada em ambos os módulos ou em apenas um deles (HÖLTTÄ-OTTO, 2005). 2.4.3 Functional Structure Heuristic (FSH) Estruturas Funcionais Heurísticas (FSH) foram propostas por Stone, Wood e Crawford (2000). O primeiro passo deste método é representar o modelo funcional do produto, ou decomposição funcional, que é o processo de quebrar a função global do produto em funções menores e sub-funções. As sub-funções são relacionadas por fluxo de energia, matéria ou sinal passando através do produto de modo a formar um modelo, conhecido como estrutura funcional. O segundo passo é aplicar regras heurísticas pré-definidas a esta estrutura para definir os módulos. As heurísticas foram baseadas em um conjunto de etapas de natureza empírica que foram formuladas após coleta e análise sistemática de dados e obtidas observando as possibilidades que o fluxo pode sofrer passando através do produto. Assim, as heurísticas são comprovadas seguindo um método científico (STONE, WOOD e CRAWFORD, 2000). 1) o fluxo pode passar através de um produto inalterado; 2) o fluxo pode ramificar, formando cadeias de funções independentes; 3) um fluxo pode ser convertido a outro tipo e transmitido, Figura 22. 46 Figura 22 - Heurísticas do FSH Fonte: Adaptado de Stone, Wood e Crawford (2000) Heurística 1 - Fluxo Dominante: O conjunto de sub-funções em que um fluxo passa da entrada ou início do fluxo no sistema até a saída do sistema ou conversão do fluxo dentro do sistema define um módulo. Heurística 2 - Ramificação do Fluxo: Os membros de uma cadeia de função paralela constituem módulos. Heurística 3 - Conversão-transmissão de fluxo: Uma sub-função de conversão ou um par ou cadeia de sub-funções de conversão-transmissão constitui um módulo. As possíveis alternativas de módulos são obtidas agrupando as funções da estrutura funcional do produto conforme as regras heurísticas. A Figura 23 mostra um exemplo de estrutura funcional com a aplicação das heurísticas para definição dos módulos. Material Energia 1 - Módulo de fluxo dominante 2 - Módulo com ramificação do fluxo Converte A em B Converte A em B Transmite B Converte A em B Função Transmite B 3 - Diferentes tipos de módulos com conversão-transmissão do fluxo 47 Figura 23 - Heurísticas aplicadas a uma estrutura funcional de uma escova de dente Fonte: Okudan e Gupta (2013) 48 2.4.4 Decomposition Approach (DA) Huang e Kusiak (1998) propuseram um método matricial baseado em DSM que agrupa os elementos por acoplamento. Segundo eles, este método permite a identificação de módulos mesmo com pouca informação disponível. O modelo é representado com 2 matrizes. Uma matriz de adequação dos componentes (Suitability Matrix) e outra de interação (Interaction Matrix). A matriz de adequação representa a possibilidade/adequação de um componente para inclusão em um determinado módulo, por outro lado a de interação representa a interação ou acoplamento dos componentes. Segundo Huang e Kusiak (1998), as matrizes de interação e adequação foram baseadas nas observações de Ulrich e Tung (1991) que diz que modularização é vista como sendo dependente de 2 características:  similaridade entre arquitetura física e funcional - Matriz de interação;  minimização das interações acidentais entre os componentes - Matriz de adequação. A definição dos módulos e tipo de modularidade é feito por um processo denominado de decomposição aplicado em ambas as matrizes que são rearranjadas de modo a formar uma única matriz. O processo de decomposição se inicia com a triangularização da matriz de interação rearranjando suas linhas e colunas. A triangularização é feita utilizando um algoritmo proposto por Kusiak et al. (1994). A matriz de adequação é também rearranjada para ficar com a mesma sequência de linhas e colunas da matriz de interação. Em cada fase da decomposição, a matriz de adequação é analisada para verificar o nível de coexistência entre dois elementos no mesmo módulo. Elementos são duplicados ou removidos dos módulos seguindo um conjunto de regras. Este looping acontece até não ser necessário mais rearranjo. Depois de concluído, definem-se os módulos e pode-se identificar e interpretar o tipo de modularidade existente entre os módulos e componentes. A maneira de preencher a matriz de interação evolui à medida que o produto adquire maturidade no desenvolvimento, podendo as entradas ser representada pela quantidade de vezes que os elementos se interagem no produto ou aparecem na montagem. Este método não apresenta qualquer entrada referente à estratégia da modularidade (HUANG e KUSIAK, 1998). 49 Okudan e Gupta (2013) compararam o método proposto por Huang e Kusiak (1998) com FSH e B-FES (Behavioral-driven Function-Environment Structure). O processo de modularização foi aplicado a uma escova de dente elétrica considerando os parâmetros DfA (Design for Assembly) e DfV (Design for Variety). O resultado mostrou que dentre estes métodos e para o cenário analisado, a abordagem de Huang e Kusiak (1998) apresentou o melhor resultado. Para aplicar o método de Huang e Kusiak em escova de dente elétrica, Okudan e Gupta (2013) primeiro desenharam a sua estrutura funcional representando as direções dos fluxos elétricos e de força entre suas várias funções/módulos. Esta representação pode ser vista na Figura 24. Figura 24 - Estrutura funcional da escova de dentes Fonte: Adaptado de Okudan e Gupta (2013) As Figuras 25 e 26 mostram, respectivamente, as matrizes de interação e adequação antes e após a triangularização. A conclusão do processo de decomposição com a representação dos módulos é mostrado na Figura 27. Fluxo de força Fluxo elétrico Unidade elétrica (1) Atuador (2) Regulador de velocidade (3) Torque para o conversor de oscilação (5) Eletricidade para o conversor de torque (4) Transmissor de oscilação (6) Acoplamento / desacoplamento (7) Cabeça de escovamento (8) 50 Figura 25 - Matriz de Interação e de Adequação iniciais Fonte: Okudan e Gupta (2013) Figura 26 - Matrizes após a triangularização Fonte: Okudan e Gupta (2013) Matriz de Interação “*” – existe interação “ “ – sem interação Matriz de Adequação “a” – fortemente desejado “e“ – desejada “o” – fortemente indesejada “u” – indesejada Componentes 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 Unidade Elétrica 1 + * 1 + e u Atuador 2 + * 2 + a Regulador de velocidade 3 + * 3 + Torque para o conv. de oscilação 4 * + * 4 + u o Eletricidade para o conv. de torque 5 + * 5 + a Transmissor de oscilação 6 + * 6 + e Acoplamento/desacoplamento 7 + * 7 + o Cabeça de escovação 8 * + 8 + 8 7 6 5 1 2 3 4 8 7 6 5 1 2 3 4 8 + * 8 + o 7 * + 7 o + 6 * + 6 a + 5 * + 5 a + 1 + * 1 u + e 2 + * 2 + a 3 + 3 + 4 * + 4 u + 51 Figura 27 - Matrizes após a decomposição completa Fonte: Okudan e Gupta (2013) O processo indicou a formação de dois módulos principais:  Módulo eletricidade/oscilação (1, 2, 3 e 4): unidade elétrica, atuador, regulador de velocidade, eletricidade para conversor de torque  Módulo cabeça de escovação/oscilação transmissão (5, 6 e 7): gerador de oscilação, transmissor de oscilação, unidade de acoplamento/desacoplamento. 2.4.5 Function-Strategy DSM (FS-DSM) FS-DSM (BLACKENFELT, 2001) pode ser considerado um método híbrido entre DSM, MFD e FSH. Do DSM utiliza o formato para descrever as dependências entre os elementos. Do MFD adiciona considerações estratégicas, porém não considera os doze direcionadores de estratégia que são originais do método, apenas a sua forma condensada de compatibilidade, conforme apresentado na Tabela 2. Do FSH acrescenta fluxo de matéria, informação e energia (BORJESSON, 2010). 8 7 6 5 1 2 3 4 8 7 6 5 1 2 3 4 8 + * 8 + o 7 * + 7 o + 6 * + 6 a + 5 * + 5 a + 1 + * 1 u + e 2 + * 2 + a 3 + 3 + 4 * + 4 u + 52 Tabela 2 - Modulo drivers condensados para aplicação em FS-DSM. Fonte: Adaptado de Borjesson (2010) O método é apresentado com duas matrizes para representar os aspectos estratégicos e aspectos funcionais das relações entre os elementos funcionais, componentes ou soluções técnicas do produto. Os aspectos estratégicos são derivados das relações existentes da matriz MIM do MFD considerando sua adaptação na matriz DSM conforme Module Drivers condensados ou conflitantes. A força das relações estratégicas conflitantes entre os componentes são pontuadas de -2 a 2, similar à pontuação das relações funcionais no DSM conforme apresentado por Pimmler e Eppinger (1994). Os aspectos funcionais também são pontuados de forma similares aos apresentados por Pimmler e Eppinger (1994) considerando os fluxo de energia (E), material (M), informação (I) e espacial (S). As matrizes DSM estratégica e funcional ficam simétricas e parte dela pode ser omitida. Uma representação destas matrizes pode ser vista na Figura 28. Ambas são agrupadas relacionadas pela diagonal com a parte superior considerando aspectos funcionais e a inferior os estratégicos conforme apresentado na Figura 29. Module Drivers Condensados Comunalidade (C) Comunização x Variedade Especificação Técnica, Estilo Unidade Comum Carry Over (CO) Carry Over x Modificação Pressionado por Tecnologia, Modificação Planejada Carry Over Fazer ou Comprar (MB) Fazer x Comprar Organização / Processo Fornecedores Estratégicos Ciclo de Vida (LC) Reuso x Desenvolvimento Testado Independentemente, Serviço / Manutenção, Upgrading , Reciclagem 12 Modules Drivers Originais 53 Figura 28 - DSM Estratégico (E) e DSM Funcional (F) Fonte: Adaptado de Blackenfelt (2001) Figura 29 - Representação da Matriz FS-DSM para agrupamento Fonte: Adaptado de Blackenfelt (2001) O processo de geração dos módulos é baseado em uma regra de três passos proposta por Blackenfelt (2001). Este processo tem pouco material acadêmico ou aplicação industrial e desta forma, não será discutido neste trabalho. Soluções Técnicas S o lu çõ es T éc n ic a s Soluções Técnicas S o lu çõ es T éc n ic a s DSM Estratégico (E) DSM Funcional (F) Soluções Técnicas S o lu çõ es T éc n ic a s F E 54 2.4.6 MFD com Propriedade de Convergência Segundo Borjesson (2009), normalmente o algoritmo de agrupamento hierárquico não converge com resultado satisfatório em função, principalmente, dos dados de entrada do modelo de modularização e não do algoritmo propriamente dito. Os módulos gerados parecem não fazer sentido, apresentando conflitos de estratégia ou incompatibilidade geométrica e/ou funcional entre os componentes. Uma grande quantidade de ajuste manual e bom senso são necessários para adequar o modelo. Em função disto ele propôs um aperfeiçoamento no método MFD adicionando propriedades de convergência (Convergence Properties), que são um grupo de dados verificados durante o processo de agrupamento hierárquico para promover um output com melhor qualidade. As propriedades de convergência foram definidas baseadas nas informações que os engenheiros recorriam para fazer os ajustes manuais no modelo em aplicações práticas do MFD que não estavam disponíveis nas matrizes ou no algoritmo. As propriedades de convergência propostas são:  Propriedades de Opção: Determina se alguma opção do produto é permitida na configuração final do produto. Possui apenas resposta “sim” ou “não”.  Propriedades Geométricas: Informações que refletem a provável configuração final do produto. Podem ser obtidas dividindo o produto em regiões pré-definidas e identificando as soluções técnicas que preferencialmente devem estar localizada em alguma região específica.  Propriedades Heurísticas: São baseadas em uma estrutura funcional. As heurísticas baseada em fluxo descrevem como as funções interagem no produto. Estes fluxos podem ser de material, energia ou informação. As Heurísticas são: Fluxo dominante; Conversão-Transmissão; Ramificação-Combinação.  Compatibilidades de Module Drivers: Devem ser utilizados para definir grupos de MD de tal maneira que os drivers dentro do módulo suportem a mesma estratégia. Adicionando as informações de compatibilidade, o risco de alocar soluções técnicas com module drivers incompatíveis dentro do mesmo módulo foi diminuído. Para utilizar as propriedades de convergência no MFD, são adicionadas a Matriz de Propriedade de Convergência (Convergence Property Matriz – CPM) e QFD Extendido (Extended QFD – QED) ao PMM. A adição destas duas matrizes forma o PMM Extendido 55 (Extended PMM – ePMM) que continua mantendo o formato de matriz e capaz de utilizar ferramentas estatísticas para a geração de candidatos a módulos. A QED utiliza propriedades opcionais que possuem Sim/Não como resposta. O restante das propriedades de convergência não são baseadas nas necessidades dos clientes de modo que parte do QED é deixada em branco – Figura 30. Figura 30 - PMM e ePMM com propriedades de Convergência Fonte: Adaptado de Borjesson (2009) O Método de agrupamento e os pontos positivos do MFD se mantiveram intactos, pois a adição das propriedades de convergência manteve a forma matricial, porém melhorou a capacidade de gerar módulos mais coerentes no primeiro agrupamento. Borjesson (2009) argumenta que o método foi testado em um sistema simples e obteve resultados muito bons, mas precisaria ser testado em projetos mais complexos. 2.4.7 MFD com DSM Métodos MFD e DSM apresentam um grupo similar de pontos positivos e negativos. A dissociação está na característica mais estratégica do MFD e mais técnica no DSM. Devido à condição de agrupamento dos dois métodos, MFD similaridade e DSM interação/acoplamento dos elementos, os métodos de agrupamento não são adequados para tratar os dois métodos ao mesmo tempo. Uma abordagem híbrida integrando os MD (Direcionadores de Estratégia) do MFD em uma matriz DSM foi proposto por Blackenfelt (2001), incluindo heurística de três passos para Module Drivers (MD) Module Drivers (MD) C u st . R eq . (C R ) C u st . R eq . (C R ) E xt en d ed Q F D Convergence Properties Quality Function Deployment QFD Design Property Matrix DPM Module Indication Matrix MIMT ec h in ic a l S o lu ti o n s (T S ) Product Properties (PP) Quality Function Deployment QFD Design Property Matrix DPM Module Indication Matrix MIMT ec h in ic a l S o lu ti o n s (T S ) Product Properties (PP) O p ti o n G eo m et ri ca l H eu ri st ic D ri ve r C o m p a ti b il it y CPM 56 o agrupamento que nunca foi implementado como algoritmo. Outra abordagem matricial para integrar MFD e DSM foi proposta por Sellgren e Anderson (2005), mas o agrupamento não foi considerado. Borjesson e Sellgren (2010) apresentaram os resultados obtidos com a adição de uma matriz DSM à matriz PMM do MFD. O método foi testado na modularização de uma máquina de corte e coleta de madeira com motor híbrido totalmente inovadora. Os módulos não foram gerados ao mesmo tempo nos dois métodos em função da inexistência de algoritmo apropriado. A consequência prática de não poder fazer o agrupamento do MFD e DSM ao mesmo tempo é fazer sequencialmente, verificando os resultados intermediários do agrupamento. Os resultados devem ser julgados e os dados verificados de forma a gerar módulos que consigam balancear os requerimentos dos dois métodos (BORJESSON e HÖLTTÄ-OTTO, 2013). Borjesson e Hölttä-Otto (2013) propuseram um algoritmo baseado no IGTA (Idicula- Gutierrez-Thebeau) para poder agrupar as duas matrizes ao mesmo tempo e ter as vantagens estratégicas e técnicas sem necessidade de rearranjar e checar resultados intermediários. IGTA-Plus balanceia as duas matrizes do MFD e DSM em um único agrupamento. Utilizando duas funções de otimização agrupadas em um único valor. Uma para o MFD e outra para o DSM. O método proposto integra a DPM e MIM do MFD em uma única matriz que captura similaridade técnica e estratégica e compartilha as linhas com os componentes da DSM – Figura 31. Figura 31 - ePMM e DSM. Fonte: Adaptado de Borjesson e Hölttä-Otto (2013) Convergence Properties Module Drivers (MD) Quality Function Deployment QFD Design Property Matrix DPM Module Indication Matrix MIMT ec h in ic a l S o lu ti o n s (T S ) C u st . R eq . (C R ) Product Properties (PP) O p ti o n G eo m et ri ca l H eu ri st ic D ri ve r C o m p a ti b il it y E xt en d ed Q F D CPM Design Structure Matrix DSM 57 3 ANÁLISE DOS MÉTODOS DE MODULARIZAÇÃO E ESCOLHA PARA APLICAÇÃO Sete métodos de modularização foram analisados e confirmaram a observação feita por Okudan e Gupta (2013), de que não existe um melhor método. Cada método é desenvolvido para otimizar um determinado critério ou aplicação e, por esta razão, várias publicações são focadas em comparações de sua repetibilidade e coerência na geração de módulos. O método sempre indicará candidatos a módulos. A equipe multidisciplinar responsável pelo desenvolvimento da modularização deve julgar a coerência dos agrupamentos obtidos, ou seja, a experiência faz parte do processo. Borjesson e Hölttä-Otto (2013) argumentam que, em geral, baseado no formato dos dados, os métodos podem ser divididos em duas categorias, baseados em matrizes ou redes gráficas de funções. Independentemente do formato, os métodos podem ser divididos em baseados em acoplamento ou similaridade dos componentes ou soluções técnicas. A publicação de Borjesson (2010) serviu de base na análise qualitativa para a escolha do método que será utilizado neste trabalho. Os critérios utilizados estão listados na Tabela 3. Tabela 3 - Critérios para análise qualitativa Fonte: Adaptado de Borjesson (2010) Aplicando a metodologia proposta por Borjesson (2010), tem-se a representação na Tabela 4. CRITÉRIO DEFINIÇÃO Organização dos datos Maneira como os dados são organizados (matrizes ou gráficos) Flexibilidade Método é flexível, permite ajustes Execução simultânea Promove execução simultânea em grupos Fácil de aprender e utilizar Fácil de utilizar conceitos bem conhecidos Suportado por software Propício para aplicação de software, incluindo projetos grandes Design handover Simplifica a condução da fase de conceituação para o detalhamento Repetibilidade Repetibilidade dos resultados e permite iterações Aplicação prática Método aplicado com resultados satisfatórios em empresas Desenvolvimento de plataforma ou família Apresenta capacidade de ser aplicado em família de produtos ou plataforma Específico para modularidade Específico para gerar arquitetura modular Descrição dos datos Todos os dados, incluindo requerimento do cliente e intenção estratégica 58 Tabela 4 - Qualificação dos métodos de modularização Fonte: Adaptado de Borjesso (2010) Métodos baseados em matrizes são mais convenientes por pelo menos duas razões: 1) os dados podem ser manipulados facilmente utilizando software padrão como excel; 2) matrizes são úteis para produtos mais complexos onde diagramas de estrutura funcional são complicados de ser utilizado. Exceto FSH que utiliza estrutura funcional, todos os demais métodos utilizam matrizes no tratamento dos dados. DSM apresenta a forma mais simples de entrada de dados matricial, enquanto MFD o melhor handover. Por outro lado, a força dos métodos baseados em estruturas funcionais é a facilidade em trabalhar com pouca informação disponível, esta característica torna o FSH mais adequado para ser aplicado no desenvolvimento de produtos inovadores na fase de conceituação. Os métodos MFD e DSM tem forte suporte de software para o agrupamento. O MFD utiliza agrupamento hierárquico e o DSM pode ser solucionado utilizando algoritmo IGTA. MFD com Propriedade de Convergência e MFD com DSM também podem ser solucionados por software, porém com pouca aplicação, disponibilidade ou testes em projetos reais. Não foi encontrado informação de software para FSH e FS-DSM. Forte Médio Fraco CRITÉRIOS MFD DSM FSH DA FS-DSM MFD+CP MFD+DSM Organização dos dados Flexibilidade Execução simultânea Fácil de aprender e utilizar Suportado por software Design handover Repetibilidade Aplicação prática Desenvolvimento de plataforma ou família Específico para modularidade Descreve os dados 59 A simplicidade na entrada de dados, alinhado ao forte suporte de software torna o DSM um dos métodos de maior repetitividade. Os dados de entrada levam em consideração as relações internas existentes entre os elementos como, por exemplo, posição geométrica e funcionalidade. O resultado do DSM é fortemente influenciado pelo conhecimento que a equipe tem do produto durante a entrada dos dados na matriz e pode ser utilizado como base para o início dos estudos de modularização em arquiteturas mais complexas para simplificar o processo de desenvolvimento (HÖLTTÄ OTTO e SOLONEN, 2003; ARCHER, 2010). Os resultados de Okudan e Gupta (2013) mostraram que o método DA também apresenta boa repetibilidade. Contudo pouca disponibilidade de software e aplicação prática na indústria. O método MFD e seus híbridos conseguem captar os requerimentos dos clientes e estratégia da empresa através do QFD e MD respectivamente. FS-DSM consegue captar a estratégia da empresa de uma forma simplificada baseada também nos MD do MFD. Os demais métodos não possuem esta capacidade. Os métodos MFD, DSM e FSH são os mais estudados e aplicados nas empresas. Os métodos MFD e DSM apresentam características similares como entrada de dados matricial e solução utilizando software disponível. Eles apresentam também características complementares. O MFD com forte influência das estratégias da empresa, abrangência de dados de entrada (voz do cliente, engenharia e empresa) e flexibilidade e o DSM com um relacionamento mais técnico e sua repetitividade. Portanto, a aplicação destes dois métodos de forma combinada pode tornar o processo de modularização do produto mais eficiente. Neste trabalho, serão utilizadas as ferramentas e sequencia do método MFD e o DSM como base para iniciar e simplificar as investigações de modularização durante a definição das soluções técnicas e geração dos módulos. 60 4 APLICAÇÃO DOS MÉTODOS DE MODULARIZAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Na maioria dos casos, a decisão de modularização é justificada pela necessidade de se criar inúmeras variantes em um produto ou sistema originalmente desenvolvido para atender a uma aplicação específica. Por essa razão, depois de certo tempo, produtos já existentes no mercado são reprojetados como um sistema modular. Este reprojeto deve atender às necessidades do mercado, possibilidades e restrições tecnológicas bem como às estratégias competitivas em produto e produção da empresa. Além disso, deve prever o acompanhamento do produto após o seu lançamento para que novas especificações possam ser incorporadas até a sua retirada do mercado. Os fatores que culminaram na escolha do sistema de suspensão traseira a ar para o projeto piloto em modularização estão relacionados ao acompanhamento da evolução do mercado e ao atendimento de uma necessidade crescente dos clientes em desfrutar das vantagens proporcionadas por este tipo de suspensão. Mesmo sendo uma aplicação padrão em países desenvolvidos, no Brasil a demanda vem crescendo nos últimos cinco anos em aplicação a caminhões e já é um fator de decisão de compra para ônibus rodoviário. Vale ressaltar que, para caminhões e ônibus urbano, o mercado ainda é dominado por suspensões baseadas em molas com lâminas metálicas, principalmente devido à sua versatilidade, robustez e menor custo de aquisição. Uma visão simplificada destas suspensões pode ser vista na Figura 32. Figura 32 - Suspensões pneumática e metálica Suspensão pneumática Suspensão metálica 61 As variantes básicas englobam caminhões nas configurações 4x2, 6x2 e 6x4 e ônibus 4x2 e 6x2. Porém, o desenvolvimento do projeto deve estar olhando para todas as possibilidades previstas na Portaria N° 63 do DENATRAN mesmo que muitas delas não possuam aplicação potencial devido, principalmente, a restrições de distribuição de carga e valor de revenda. Esta designação está relacionada a quantidade total de rodas do veículo e quais delas são direcionais, trativas e auxiliares. O modelo 4x2, por exemplo, possui quatro rodas sendo duas direcionais e duas trativas. Como o foco do nosso estudo é suspensão traseira, o importante aqui é a quantidade de eixos traseiros no qual, neste caso, tem-se: modelo 4x2 que possui um eixo traseiro trativo; modelo 6x2 que possui dois eixos traseiros sendo um trativo; modelo 6x4 que também possui dois eixos traseiros porém, ambos trativos. A Figura 33 mostra estas variantes. Figura 33 - Suspensão 4x2, 6x2 e 6x4 Observe que os eixos traseiros completos, que são fabricados por terceiro, fazem parte do sistema a ser modularizado. O motivo é devido ao fato deste componente estar fortemente relacionado com a criação de variedade, tanto em capacidade de carga como desempenho de frenagem e muito impactado por inovação tecnológica. Existe também grande interesse em se investigar eixos traseiros devido ao seu potencial de modularização e a possíveis propostas de redução no custo. Prieto e Miguel (2011) e Ulrich (1995) abordam que a participação de empresas terceiras também é um fator importan