Fundição de armaduras AGM: estudo do processo de endurecimento

João Ricardo Ribeiro Martins

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em

Engenharia Química

Orientadores: Prof.ª Doutora Maria de Fátima Guerreiro Coelho Soares Rosa (IST)

Dr. Nuno Jorge Alexandre (Exide Technologies, Lda.)

Júri:

Presidente: Prof. Doutor João Carlos Moura Bordado (IST) Orientador: Prof.ª Doutora Maria de Fátima Guerreiro Coelho Soares Rosa (IST) Vogal: Prof. Doutor Licínio Mendes Ferreira (IST)

Junho 2018

I

Resumo

A presente Dissertação de Mestrado resulta da realização dum estágio curricular no

departamento de Desenvolvimento de Produto da fábrica de baterias Exide Technologies, Lda.

.

Esta constatou que existiam condicionamentos num tipo de armadura AGM (produzida a partir

de uma liga de Pb-Ca-Sn) que apresentava uma dureza demasiado baixa no final do processo

de endurecimento, gerando sucata no processo de empastamento de armaduras. Assim o

principal objetivo passa por estudar detalhadamente a dureza deste tipo de armaduras,

aplicando, se necessário, um tratamento térmico adequado —endurecimento por

precipitação— com vista à eliminação de sucata.

O estudo foi desenvolvido recorrendo à filosofia Lean Six Sigma, utilizando o ciclo

DMAIC, associada ao desperdício Defeitos, identificando os fatores que potenciam o aumento

da dureza das armaduras. Os fatores analisados foram: o teor de cálcio e estanho; o tempo

após fundição; a temperatura ambiente; e a introdução ou não do tratamento térmico em

estufa. Estes dois últimos parâmetros revelaram-se ser os que mais afetam a variação da

dureza no produto final, sendo que foram analisados em maior detalhe.

Ao longo do estudo foram utilizadas diversas ferramentas Lean, com vista identificar,

estudar e solucionar o problema, tais como: VoC; Critical-To-Quality Tree; VSM; fluxograma;

diagramas processuais; diagrama de causa-efeito; M.S.A. de repetibilidade; DOE’s; regressões

lineares; entre outras.

Por fim, referir que, o objetivo global da dissertação foi cumprido, através do controle e

ajuste dos parâmetros mencionados acima, reduzindo a sucata gerada em mais de 50 % ao

longo do estágio curricular realizado.

Palavras-Chave: Fundição, Empastamento, Dureza, endurecimento por precipitação, Lean Six

Sigma, ciclo DMAIC.

II

(Página intencionalmente deixada em branco)

III

Abstract

The present Master's Dissertation results from the realization of a curricular internship in

the Product Development department of Exide Technologies, Lda.

, a battery factory. The

company found a problem regarding some AGM grids (produced from a Pb-Ca-Sn alloy) which

presented hardness lower than expected at the end of the pasting process, generating scrap.

Therefore the main objective is to study in detail the hardening process of this type of grids,

applying, if necessary, a suitable heat treatment —precipitation hardening— in order to reduce

scrap.

This study was developed applying the Lean Six Sigma philosophy, using its DMAIC

cycle, focusing on the waste ―Defects‖, identifying the factors that increase the hardness of

AGM grids. The analysed factors were: Ca and Sn contents; time after casting; room

temperature; and the application or not of the heat treatment (provided by a chamber). These

last two parameters proved to be the ones that most affect the hardness variation in the final

product and were analyzed more extensively.

Throughout the study, several Lean tools were used to identify, study and solve the

problem, such as: VoC; Critical-To-Quality Tree; VSM; flowchart; process diagram; cause-effect

diagram; M.S.A. of repeatability; DOE's; linear regressions; among others.

Finally, the overall objective of the Dissertation appears to have been fulfilled, through

the control and adjustment of the parameters mentioned above, reducing the scrap generated

by more than 50 % during the curricular internship.

Keywords: Casting, Pasting, Hardness, Precipitation hardness, Lean Six Sigma, DMAIC cycle.

IV

(Página intencionalmente deixada em branco)

V

Índice

Resumo .......................................................................................................................................... I

Abstract ........................................................................................................................................ III

Índice de figuras .......................................................................................................................... VII

Índice de tabelas .......................................................................................................................... IX

Lista de siglas e Acrónimos ........................................................................................................... X

Capítulo 1 — Introdução ............................................................................................................. 1

1.1 Enquadramento do tema ..................................................................................................... 1

1.2 Objetivo ............................................................................................................................... 1

1.3 Metodologia Utilizada: Lean Six Sigma .............................................................................. 2

Capítulo 2 — A Empresa: Exide Technologies, L.da

................................................................ 4

2.1 Contexto histórico e fundação do grupo EXIDE TECHNOLOGIES.................................... 4

2.2 Caracterização da Exide Technologies Portugal ................................................................ 5

2.3 Visão, Missão e Valores ...................................................................................................... 6

Capítulo 3 — Baterias chumbo-ácido ....................................................................................... 7

3.1 Princípios de funcionamento ............................................................................................... 7

3.1.1 Processos de carga e descarga ............................................................................... 8

3.1.2 Recombinação de H2 e O2 em H2O .......................................................................... 9

3.2 Tecnologias existentes: baterias chumbo-ácido ............................................................... 10

3.2.1 Baterias de ácido livre............................................................................................. 11

3.2.2 Baterias VRLA ........................................................................................................ 12

3.3 Ligas metálicas e armaduras ............................................................................................ 14

3.3.1 Requisitos Industriais (atributos/qualidades/condições) ......................................... 15

3.4 Ligas de Pb-Ca-Sn ............................................................................................................ 16

3.4.1 Interação Pb-Ca ...................................................................................................... 16

3.4.2 Interação Pb-Ca-Sn ................................................................................................ 18

Capítulo 4 – Processo produtivo de uma bateria AGM ......................................................... 22

4.1 Fundição............................................................................................................................ 22

4.2 Produção de pasta e empastamento ................................................................................ 23

4.3 Sazonamento .................................................................................................................... 25

4.4 Corte de Placas ................................................................................................................. 26

4.5 Montagem ......................................................................................................................... 26

4.6 Carga: ativação ou formação direta .................................................................................. 27

4.7 Acabamento ...................................................................................................................... 28

Capítulo 5 — Fundição de armaduras AGM ........................................................................... 29

5.1 Fundamentos da filosofia Lean 6σ .................................................................................... 29

5.2 6σ — Definir ...................................................................................................................... 32

5.2.1 Processo ................................................................................................................. 35

VI

5.2.2 Produto estudado e defeito observado ................................................................... 36

5.2.3 Parâmetros controlados .......................................................................................... 40

5.2.4 Montagem experimental, materiais utilizados e procedimento .............................. 42

5.3 6σ — Medir ....................................................................................................................... 43

5.3.1 VSM e fluxo produtivo ............................................................................................. 43

5.3.2 Capacidade e Performance do Processo ............................................................... 46

5.3.3 Estudo preliminar de Dureza .................................................................................. 50

5.3.4 Validação do sistema de medição .......................................................................... 53

5.3.5 Dados recolhidos .................................................................................................... 59

5.4 6σ — Analisar ................................................................................................................... 62

5.4.1 Baseline processual ................................................................................................ 64

5.4.2 Dureza: influência do teor de cálcio ........................................................................ 65

5.4.3 DOE: Parâmetros influenciadores da dureza ......................................................... 66

5.4.3.1 DOE: estudo estufa ................................................................................................. 70

5.4.3.2 Regressão linear de temperaturas ......................................................................... 72

5.5 6σ — Melhorar .................................................................................................................. 74

5.6 6σ — Controlar .................................................................................................................. 75

Conclusões e perspetivas futuras ........................................................................................... 78

Referências ................................................................................................................................ 80

Anexos ........................................................................................................................................ 81

VII

Índice de figuras

Fig. 1 – Metodologias e ciclos mais utilizados na filosofia 6σ ....................................................... 2

Fig. 2 - Cronologia da evolução temporal do atual grupo EXIDE TECHNOLOGIES. .................. 5

Fig. 3 - Marcas de algumas baterias industriais produzidas pelo Grupo Exide Technologies. .... 5

Fig. 4 - Organograma da organização Exide Technologies em Portugal ([2]). ............................. 6

Fig. 5 – Tecnologias existentes: baterias chumbo-ácido ............................................................ 11

Fig. 6- Bateria de ácido livre, ―15 groE 375‖. .............................................................................. 12

Fig. 7 - Esquema de uma bateria de gel. 1) estado inicial do eletrólito 2) eletrólito com caminhos

preferenciais ................................................................................................................................ 13

Fig. 8 - 1- Armadura; 2- Placa positiva; 3- Placa Negativa; 4- Separador microporoso; 5- União

positiva; 6-União negativa; 7- Jogo; 8- Terminal; 9-Bloco; 10-Válvulas. .................................... 14

Fig. 9 - Diagrama de fases Pb-Ca com enfoque na zona peritética. .......................................... 16

Fig. 10 - Tensão de limite elástico (a), resistência à tração (b), rutura à fluência (c) e taxa de

corrosão (d) em função do teor de cálcio. ................................................................................... 17

Fig. 11 - Equilíbrio Pb-Ca-Sn: teor de estanho vs. teor de cálcio e respetivos compostos

formados. ..................................................................................................................................... 19

Fig. 12 –Tensão de limite elástico (a), resistência à tração (b), rutura à fluência (c) e taxa de

corrosão (d) em função do teor de cálcio para composições de Sn=0,5 (m%m) ou Sn=1,5

(m%m). ........................................................................................................................................ 19

Fig. 13 - Diagrama de blocos do processo de produção de uma bateria AGM. ......................... 22

Fig. 14 - Lingotes, armaduras, tiradas e placas de chumbo. a) Lingote, b) armadura de painel

duplo, c) tirada dupla empastada, d) duas placas não formadas, e) duas placas formadas, f)

armadura de painel simples, g) tirada simples empastada, h) uma placa não formada e i) uma

placa formada. ............................................................................................................................. 26

Fig. 15 – Reduzindo a variabilidade num processo genérico através da aplicação da filosofia

6σ. ............................................................................................................................................... 30

Fig. 16 - Custo da não qualidade em função do nível σ. ............................................................ 31

Fig. 17 - Voice of the Customer................................................................................................... 33

Fig. 18 - Critical-To-Quality Tree. ................................................................................................ 33

Fig. 19 - Ficha do Projeto (Project Charter). ............................................................................... 34

Fig. 20 - Fluxograma com enfoque na fundição e empastamento. ............................................. 35

Fig. 21 - Distribuição tecnológica: Exide - dados referentes a abril de 2015 até março de 2016

..................................................................................................................................................... 36

Fig. 22 - Tipos de baterias AGM produzidas: Exide dados referentes a abril de 2015 até março

de 2016. ....................................................................................................................................... 36

Fig. 23 - Distribuição de volume de armaduras AGM positivas- dados referentes a abril de 2015

até março de 2016. ..................................................................................................................... 37

Fig. 24 - Volume de placas positivas AGM produzidas - dados referentes a abril de 2015 até

março de 2016............................................................................................................................. 37

Fig. 25 - Tirada XP2.6+ empastada (demasiado macia). (Data: janeiro 2016) .......................... 38

Fig. 26 - Lingotes, armaduras, tiradas e placas de chumbo. a) Lingote b) armadura de painel

duplo c) tirada dupla empastada d) duas placas não formadas e) duas placas formadas f)

armadura de painel simples g) tirada simples empastada h) uma placa não formada i) ........... 39

Fig. 27 - Posto de qualidade da fundição. ................................................................................... 41

Fig. 28 - Espectrofotómetro utilizado na fundição. (Dimensões: 50 cm x 60 cm x 60 cm) ......... 41

Fig. 29 - Durómetro Nexus 4501 (Innovatest). ............................................................................ 42

Fig. 30 - a) Aferição do diâmetro vertical (exemplo) ................................................................... 42

Fig. 31 - VSM simplificado para o processo produtivo de uma bateria AGM. ............................ 45

Fig. 32 - Histograma relativo ao peso da armadura XP2.6+. ...................................................... 49

Fig. 33 - Histograma relativo à espessura da tirada XP2.6+. ..................................................... 50

VIII

Fig. 34 - Dispositivo criado para aferir a inclinação de cada armadura apresenta ao longo do

tempo (dimensões: 30 cm x 50 cm x 30 cm). ............................................................................. 51

Fig. 35 – Inclinação em função do tapós fundição. ............................................................................. 53

Fig. 36 - Resultados do método Gage R&R cruzado ao sistema para a medição da dureza em

armaduras XP2.6+. ...................................................................................................................... 55

Fig. 37 - Contribuição dos componentes de variação do sistema de medição para a dureza. .. 56

Fig. 38 - Desvio-padrão, variação dos componentes do teste R&R e número de categorias

distintas pelo sistema. ................................................................................................................. 56

Fig. 39 - Variação dos componentes do teste R&R pelo sistema de medição para as armaduras

XP2.6+. ........................................................................................................................................ 57

Fig. 40 - Cartas de controlo e da dureza das amostras por operador. ................................ 57

Fig. 41 – Dureza média por amostra. .......................................................................................... 58

Fig. 42 - Diagramas de caixa da dureza obtida por operador (sendo, na caixa, o ponto a média

e o traço a mediana). .................................................................................................................. 59

Fig. 43 - Interação entre a dureza média das amostras e os operadores. ................................. 59

Fig. 44 - Temperatura da conduta, colher, molde superior e inferior. Registos: 9 de maio. ....... 61

Fig. 45 - Peso e espessura armadura XP2,6+. Registo: 9 de maio. ........................................... 61

Fig. 46 - Teor de cálcio e estanho armadura XP2,6+. Registo: 9 de maio. ................................. 62

Fig. 47 - Diagrama causa-efeito da variabilidade da dureza. ..................................................... 63

Fig. 48 - Baseline processual dureza, por dia, ao longo de um mês. ......................................... 64

Fig. 49 - Variação do teor de cálcio (%) ao longo de um turno, turno 2. .................................... 65

Fig. 50 - Dureza em função do tempo decorrido após fundição, para 3 categorias de

composição diferentes. ............................................................................................................... 66

Fig. 51 - Gráfico de pareto de efeitos padronizados. .................................................................. 67

Fig. 52 - Efeitos, coeficientes, desvio padrão dos coeficientes, T-value, valor-p para os

parâmetros em estudo. ............................................................................................................... 68

Fig. 53 - Gráfico de pareto de efeitos padronizados, resposta é a dureza (apenas termos

relevantes). .................................................................................................................................. 69

Fig. 54 - Efeitos, coeficientes, desvio padrão dos coeficientes, T-value, valor-p para os termos

relevantes. ................................................................................................................................... 69

Fig. 55 - Gráficos fatoriais de efeitos principais apenas para os fatores significantes, resposta é

a dureza. ...................................................................................................................................... 69

Fig. 56 - Gráfico de pareto de efeitos padronizados, resposta é o desvio padrão (apenas termos

relevantes). .................................................................................................................................. 70

Fig. 57 - Gráficos fatoriais de efeitos principais apenas para os fatores significantes, resposta é

o desvio padrão. .......................................................................................................................... 70

Fig. 58 - Regressão linear de temperaturas para armaduras tratadas ou não na estufa (t= 48 h).

..................................................................................................................................................... 72

Fig. 59 - Defeitos tirada XP2.6+, jan. a ago. de 2016 (contorno a negro: uso da estufa). ........ 75

IX

Índice de tabelas

Tabela 1 – Tipos de desperdícios abordados na filosofia Lean Thinking ([12]). .......................... 2

Tabela 2 - Metodologia DMAIC e ferramentas mais utilizadas durante a sua aplicação ([12]). ... 3

Tabela 3 - Teores de cálcio: nominal; centro de subgrão; fronteira de subgrão. ....................... 18

Tabela 4 - Teores de estanho: nominal; centro de subgrão; fronteira de subgrão. Liga de Pb-

0,04%Ca-Sn. ............................................................................................................................... 20

Tabela 5 – Teores de estanho necessários para a estabilidade de ligas Pb-Ca-Sn em função do

teor de cálcio, excluindo e contabilizando segregação de elementos na matriz. ....................... 20

Tabela 6 – Níveis de desempenho σ. ......................................................................................... 30

Tabela 7 - Comparação entre dois níveis de desempenho. ....................................................... 31

Tabela 8 - Suppliers, Inputs, Process, Outputs and Customers. ................................................ 32

Tabela 9 - Composição de algumas ligas metálicas utilizadas em armaduras AGM. ................ 39

Tabela 10 - Temperaturas utilizadas na produção de armaduras. ............................................. 40

Tabela 11 - Índices de capacidade e performance para os 4 parâmetros avaliados. ................ 49

Tabela 12 - Medição da inclinação em cm, no início, meio e fim do estrado de armaduras a

empastar. ..................................................................................................................................... 51

Tabela 13 - Registo das condições a que foram obtidos os dados da fundição. ....................... 52

Tabela 14 - Inclinação obtida para as armaduras retiradas da máquina 1, dada em cm. .......... 52

Tabela 15 - Sumário dos ensaios realizados e respetivas condições utilizadas. ....................... 67

Tabela 16 - Sumário dos ensaios realizados e respetivas condições utilizadas, DOE estudo

estufa. .......................................................................................................................................... 71

Tabela 17 - Dureza obtida para os diversos tempos em estufa, em horas, e temperaturas da

estufa, dada em °C. ..................................................................................................................... 71

Tabela 18 - Dureza em HBW 2,5/6,25/30 para o tratamento térmico 2 h em estufa a 70 °C. ... 72

Tabela 19 - Influência da temperatura na geração de sucata, na secção do empastamento. ... 73

Tabela 20 - Defeitos tirada XP2.6+, jan. a ago. de 2016. ............................................................ 74

Tabela 21 - Registo da hora, nível, temperaturas controladas, espessura, peso, teor de Ca e

Sn, lote e operador, por dia para duas máquinas de fundição diferentes. ................................. 81

Tabela 22 - DOE: parâmetros influenciadores da dureza. .......................................................... 82

Tabela 23 - DOE: estudo estufa. ................................................................................................. 83

X

Lista de siglas e Acrónimos

α — Nível de significância

σ — Desvio-padrão

— Desvio-padrão estimado

1BS — Sulfato monobásico de chumbo (PbO.PbSO4)

3BS — Sulfato tribásico de chumbo (3PbO.PbSO4.H2O)

4BS — Sulfato tetrabásico de chumbo (4PbO.PbSO4)

AGM — Baterias de material de vidro absorvente (absorbent glass mat)

ANOVA – Método estatístico que analisa a variância (analysis of variance)

BE+ — Placa placa/tirada positiva de painel simples não formada

CEP — Controlo Estatístico do Processo

CH — Castanheira do Ribatejo

CCV — Tensão em circuito fechado (closed circuit voltage)

CP — Índice de capacidade do processo

CPk — Índice de capacidade do processo

DMAIC – Sistema de desenvolvimento de projetos segundo a metodologia Seis Sigma (Define-

Measure-Analyze-Improve-Control)

DMADV – Sistema de desenvolvimento de projetos segundo a metodologia Seis Sigma

(Define-Measure-Analyze-Design-Verify)

D.O.E — Design of experiments

DPMO — Defeitos por milhão de oportunidade

FY – Ano fiscal (fiscal year)

GroE — Tipo de bateria de ácido livre

H0 — Hipótese nula

H1 — Hipótese alternativa

HRD — Descarga rápida (High rate discharge)

HVT — High voltage test

Infinity QS® — software de controlo de qualidade

LC — linha central da carta de controlo

LIC/LCL — Limite Inferior de Controlo

LIE — Limite Inferior de Especificação

LSC/UCL — Limite Superior de Controlo

LSE — Limite Superior de Especificação

M.S.A — Análise do Sistema de Medição (Measure System Analysis)

n — Tamanho da amostra

NAM — Material ativo negativo (Negative Active Material)

NF — Tirada/Placa não formada

OCV — Tensão em circuito aberto (Open circuit voltage)

P — Proporção de unidades defeituosas

XI

PAM — Material ativo positivo (Positive Active Mass)

PC — Tirada/Placa Pré-carregada

PCL — Perda de capacidade prematura (Premature Capacity Loss)

PPM — Parte por milhão

PW (Power) — Potência

R — Amplitude

R&R — Repetibilidade e Reprodutibilidade

s – Desvio-padrão da amostra

s2 – Variância da amostra

SIPOC (Suppliers, Inputs, Process, Output, Customers) — Fornecedor, Entrada, Processo,

Saída, Cliente

SLI — Start, Lighting & Ignition

STD — Padrão (Standard)

SOC — Estado de carga da bateria (State of charge)

SOW (Statement Of Work) — declaração de trabalho

UPS — Uninterruptible Power Supply

Valor-p (p-value) — a probabilidade de que o teste estatístico tenha valor extremo em relação

ao valor observado quando a hipótese é verdadeira

VRLA — Baterias chumbo-ácido com válvula regulada (Valve regulated lead-acid)

X — Fatores controláveis do processo

— Média da amostra

XP+ — placa/tirada positiva não formada de painel duplo

Y — Variáveis de saída do processo

z — Distribuição Normal Reduzida

1

Capítulo 1 — Introdução

No presente Capítulo, pretende-se fazer uma introdução ao trabalho desenvolvido.

Primeiramente, realiza-se o enquadramento do tema. Seguidamente identificam-se os objetivos

a atingir e a metodologia utilizada para os alcançar. Por fim, apresenta-se o esquema

representativo da estrutura da Dissertação, de modo a ter uma visão global sobre a mesma.

1.1 Enquadramento do tema

A presente Dissertação de Mestrado resulta da realização dum estágio curricular no

departamento de Desenvolvimento de Produto da Exide Technologies, Lda.

, em castanheira do

Ribatejo (Vila Franca de Xira). Esta empresa integra o grupo EXIDE TECHNOLOGIES, o qual

está presente em mais de 80 países, sendo o primeiro fornecedor do mundo de baterias de

chumbo-ácido para alimentação de energia elétrica em rede, força eletromotriz e aplicações na

indústria automóvel.

A Exide Technologies, Lda.

ao analisar as áreas onde poderiam ocorrer otimizações,

processuais e económicas, de modo a caminhar no sentido de uma melhoria constante

verificou que a sucata gerada no processo de empastamento de armaduras AGM deveria ser

alvo de intervenção.

A empresa em estudo constatou ainda que existiam condicionamentos num tipo de liga

de Pb-Ca-Sn, por esta apresentar uma dureza demasiado baixa no final do processo de

endurecimento (48h). Visto que a produção de armaduras positivas (conceito posteriormente

detalhado) utilizando tal liga excede os 50 % em volume anualmente, percentagens reduzidas

de sucata traduzem-se num enorme gasto monetário para a Empresa, que está bastante

focada em resolver esta questão.

1.1 Objetivo

Esta dissertação tem como principal objetivo estudar detalhadamente a dureza de

armaduras AGM utilizadas na unidade fabril, aplicando, se necessário, um tratamento térmico

adequado —endurecimento por precipitação— com vista à eliminação de sucata na zona

subsequente do processo, o empastamento de tiradas.

Assim, os objetivos, no seu todo, passam pelo entendimento e desenvolvimento de

competências na metodologia da melhoria contínua e a familiarização com o ambiente

industrial. Neste contexto, este estudo visa ajudar na melhoria na produção através da redução

da potencial sucata e uma maior exigência nos futuros padrões de qualidade.

2

1.3 Metodologia Utilizada: Lean Six Sigma

A filosofia Lean 6σ nasce da fusão de outras duas já existentes, a filosofia 6σ e a

filosofia Lean Thinking ([14]).

A filosofia 6σ foca-se em desenvolver e entregar produtos quase perfeitos. Esta

filosofia utiliza uma metodologia muito analítica e estruturada, consoante se pretenda a

melhoria de um processo já existente ou a conceção de um novo processo. Para o primeiro

caso, é utilizada a metodologia 6σ, a qual segue geralmente o ciclo DMAIC — Define,

Measure, Analyse, Improve, Control. Para o segundo caso, é utilizada a metodologia conhecida

por Design for Six Sigma, a qual segue: o ciclo DMADV —Define, Measure, Analyze, Design,

Verify— caso o objetivo seja a inovação incremental de um processo; ou o ciclo IDOV —

Identify, Design, Optimise, Validate— caso o objetivo seja a inovação radical de um processo.

Fig. 1 – Metodologias e ciclos mais utilizados na filosofia 6σ

A filosofia Lean Thinking, baseia-se na redução do tempo de produção de produto,

através da eliminação de qualquer tipo de desperdícios. Esta defende que o desperdício está

inerente a qualquer atividade que consome recursos, adicionando custos e não acrescentando

valor ao produto. A filosofia atua sobre oito tipos de desperdícios, sumarizados na Tabela 1,

utilizando uma abordagem mais holística, ou seja, baseada no entendimento integral dos

fenómenos envolvidos no processo.

Tabela 1 – Tipos de desperdícios abordados na filosofia Lean Thinking ([17]).

Tipos de Desperdícios Breve Descrição

Stocks Excesso de produtos/materiais que não estão em utilização

Tempo de espera

Material, pessoas, equipamentos ou informação não estão disponíveis, quando necessários

Movimentação

Movimento desnecessário de pessoas que não acrescentam valor ao produto

Defeitos Erros ou falhas em produtos

Transporte

Movimento desnecessário de produtos que não acrescentam valor

Sobreprodução Maior produção que a requerida pelos clientes

Sobreprocessamento Maior trabalho/qualidade que a requerida pelos clientes

Talento Fraca utilização das capacidades dos trabalhadores

3

Assim, através da combinação das duas filosofias, nasce uma outra que nos permite

melhorar e acelerar processos, eliminar defeitos de produtos ou processos e reduzir tempos de

ciclo. Ao incorporar a filosofia Lean 6σ na cultura organizacional, através dum compromisso

profundo, obtêm-se resultados contínuos e inovadores a curto e longo prazo.

A fusão destas duas filosofias traduz-se sobretudo na aplicação de metodologias

estruturadas provenientes da filosofia 6σ aos desperdícios identificados através da filosofia

Lean Thinking. No caso presente desta Dissertação, irá aplicar-se a metodologia DMAIC

associada ao desperdício Defeitos (Tabela 1), visto que se pretende a melhoria de um

processo já existente através da redução da quantidade de sucata gerada numa etapa do

processo produtivo de baterias AGM.

Tabela 2 - Metodologia DMAIC e ferramentas mais utilizadas durante a sua aplicação ([17]).

Passos Objetivos Ferramentas mais utilizadas

DM

AIC

D Definir os objetivos da atividade a melhorar

Diagrama de Gantt, Fluxogramas, mapas do processo, QFD

M Medir o sistema existente Diagramas SIPOC ou IPO

A Analisar o sistema de modo a

eliminar problemas que afetem a performance do mesmo

Diagrama causa-efeito, 5-why, dispersões, regressões, ANOVA

I Melhorar o sistema Diagrama de afinidades, teste de hipóteses,

DOE’s e FMEA’s

C Controlar o novo sistema Cartas de controlo, Poka-Yokes,

documentação relevante, relatório final e apresentação

4

Capítulo 2 — A Empresa: Exide Technologies, L.da

O estágio subjacente à presente Dissertação decorreu na referida empresa em

epígrafe, do Grupo Exide, fazendo-se em seguida um seu breve historial.

2.1 Contexto histórico e fundação do grupo EXIDE TECHNOLOGIES

Fenómenos eletroquímicos começaram a ser motivo de estudo desde 625 AC quando

Tales de Mileto observou que ao friccionar âmbar com tecidos de seda, estes adquiriam

propriedades atratoras, atraindo pequenos objetos ([9]).

Volvidos mais de dois mil anos, no século XVIII, e partindo de estudos realizados por

Luigi Galvani com rãs, Alessandro Volta construiu a primeira pilha, a pilha dita voltaica.

Construiu-a com duas barras de metais diferentes imersos numa solução condutora pois

constatou que era gerada uma força eletromotriz ([13]).

Em 1801, N. Gautherot constatou que ao passar corrente elétrica por uma solução de

um sal fazia com que se gerasse oxigénio e hidrogénio — eletrólise. Este fenómeno foi

explicado em maior detalhe por Michael Faraday, que definiu as leis da eletrólise.

Apenas um par de anos depois, Johann Ritter conectou várias pilhas voltaicas

constituídas por camadas de cobre separadas por um cartão humedecido com uma solução de

NaCl originava uma polarização. A tensão de carga desta pilha — Cu | NaCl

| Cu — era de

1,3 V e a de descarga de 0,3 V. Constatou também este fenómeno para outros metais tais

como o chumbo, sendo que metais diferentes apresentavam tensões diferentes. Além disso,

verificou que, ao desligar a fonte de corrente, o sistema tinha a capacidade de gerar corrente

no sentido contrário.

Sobretudo na primeira metade do século XIX, nomes como Kästner, Nobili, Schönbein

e Wheatstone verificaram que ao fazer passar corrente elétrica por dois elétrodos de chumbo

imersos numa solução de ácido sulfúrico fazia com que se formasse dióxido de chumbo num

dos elétrodos. Assim, ao efetuar estudos com diversos metais, mas sobretudo o chumbo,

Gaston Planté concluiu que, ao fazer passar corrente por elétrodos metálicos, estes eram

polarizados, agindo como acumuladores de corrente, publicando os seus resultados em 1860

na francesa Academia das Ciências na qual apresentou a primeira bateria recarregável

construída por 9 células, cujos elétrodos eram de chumbo separados por uma tira de borracha

humedecida com ácido sulfúrico diluído, ligadas em paralelo. Constatou que ao fim de algum

tempo cada célula apresentava uma tensão de cerca de 2 V.

Quase 100 anos depois, em 1957, Otto Jache criou a primeira bateria cujo eletrólito era

de gel e em 1967, Donald McClelland e John Devitt usaram pela primeira vez um separador

AGM (absorbent glass mat) para facilitar o transporte de O2 criado durante a eletrólise e

absorver o eletrólito, nascendo assim a primeira bateria secundária capaz de recombinar O2

e H2.

Por aquela altura, o grupo internacional EXIDE TECHNOLOGIES já tinha sido fundado

nos EUA, na cidade de Filadélfia (PA), em 1888, por William Warren Gibbs com o nome The

Electric Storage Company. Nos anos consecutivos e até à atualidade, esta sempre teve uma

5

política de crescimento e inovação, adquirindo outras empresas do setor tornando-se

progressivamente num dos líderes mundiais em acumuladores de energia ([7]).

Fig. 2 - Cronologia da evolução temporal do atual grupo EXIDE TECHNOLOGIES ([7]).

Assim, o grupo, atualmente, tem expressão em mais de 80 países espalhados por 4

continentes. Conta com mais de 125 anos de produção de baterias chumbo-ácido e

presentemente produz cerca de 300 modelos diferentes de baterias. Na Fig. 3 é possível

observar alguns exemplos das marcas associadas ao Grupo EXIDE TECHNOLOGIES.

Fig. 3 - Marcas de algumas baterias industriais produzidas pelo Grupo Exide Technologies ([7]).

O grupo engloba ainda, fábricas de baterias industriais e de arranque, assim como

unidades de reciclagem, transformadoras de plásticos e de produção de carregadores.

2.2 Caracterização da Exide Technologies Portugal

Em 1920 a fundação da Sociedade Portuguesa do Acumulador Tudor — designação

inspirada no nome do engenheiro Henry Tudor — dá início à comercialização de baterias,

sendo que primeiramente é criada uma fábrica no Dafundo, Oeiras, e em 1950 dá-se a

inauguração da fábrica em Castanheira do Ribatejo, atual localização da unidade fabril ([7]).

Numa fase inicial a fábrica produzia baterias para a indústria automóvel, isto é, baterias

de arranque, em blocos de ebonite, e ainda elementos estacionários, nomeadamente pilhas

secas. Em 1979, esta passou a produzir baterias de arranque em blocos de polipropileno

devido ao nascimento da AZAI (em Azambuja), empresa fabricante de componentes plásticos.

Em 1985, é inaugurada a Sociedade Nacional de Metalurgia, L.da

(SONALUR), agora Exide

Technologies Recycling II, L.da

, que é responsável pela reciclagem de baterias. As taxas de

6

reciclagem apresentam em Portugal valores próximos de 100%, sendo a única empresa deste

tipo a operar em Portugal. Atualmente, cerca de 99% do chumbo consegue ser reciclado. Além

disso, mais de 80% dos componentes de que esta é feita são obtidos através de material

reciclado. Ressalva-se que, o chumbo proveniente de reciclagem toma o nome de chumbo de

origem secundária, por oposição ao proveniente de minas, o de origem primária.

Em 1994, a Tudor integra o grupo EXIDE TECHNOLOGIES, e a partir de 1996 inicia

um plano de restruturação, reconvertendo-se o fabrico para baterias industriais

(recombinantes) ao invés de arranque, cujas aplicações passam pelas telecomunicações,

motas, uso militar, centrais elétricas e nucleares.

Atualmente, na fábrica em Castanheira do Ribatejo são produzidas aproximadamente

cem mil baterias por mês utilizando 3 tipos de tecnologia: baterias seladas de fibra de vidro

absorvente (AGM); baterias com o eletrólito gelificado (Gel); baterias de ácido livre (GroE).

Seguidamente apresenta-se uma ilustração, Fig. 4, da atual estrutura da Exide

Technologies Portugal (assinalando-se o departamento no qual se centrou o estudo).

Fig. 4 - Organograma da organização Exide Technologies em Portugal ([7]).

Por fim, referir que a Exide Technologies, Lda.

opera ainda como centro logístico de

baterias de arranque e tração. Assim sendo, é fornecedora do mercado nacional e estrangeiro,

recebendo outros tipos de baterias de fábricas pertencentes ao grupo.

2.3 Visão, Missão e Valores

O grupo e a empresa assentam sobre os seguintes 3 pilares:

Visão: A EXIDE TECHNOLOGIES será respeitada em todo o mundo como a líder em

soluções de armazenamento de energia e tecnologias inovadoras.

Missão: Como fornecedor integrado de baterias, equipamentos e serviços associados

para os mercados dos transportes e indústria, a missão da EXIDE TECHNOLOGIES é

contribuir para o sucesso dos seus clientes.

Valores: Integridade, respeito, trabalho de equipa, inovação, aprendizagem contínua e

orgulho na excelência, fazendo com que nos distingamos das empresas concorrentes.

7

Capítulo 3 — Baterias chumbo-ácido

No contexto atual, o ser humano depende de energia elétrica para realizar as mais

variadas tarefas que se impõem no seu dia-a-dia. Assim, independentemente da origem da

mesma, fóssil ou renovável, é fulcral denotar que nem sempre utilizamos a energia elétrica no

momento da sua geração. Assim sendo, o papel das baterias surge sobretudo associado a um

fator vital: acumulação de energia elétrica, armazenada sob a forma de energia potencial

química.

Quando é necessário garantir uma elevada quantidade de energia e potência sem que

seja necessária uma grande densidade energética por massa (kW.h.kg-1

), a tecnologia mais

indicada recai sobre a bateria de chumbo-ácido, pois esta é bastante segura e a de menor

custo entre todas as tecnologias disponíveis comercialmente. Além disso, é uma tecnologia

com aplicações variadíssimas e cujas baterias podem inclusive ser recicladas, tal como já

referido. Estas são as principais razões que levam as baterias de chumbo-ácido a ocupar uma

posição de destaque neste segmento. Salienta-se ainda que, ao beneficiar com o reciclo das

baterias, as empresas do setor ficam menos dependentes das importações das

matérias-primas.

Este tipo de baterias tem como desvantagem apresentar uma relação peso/volume

elevada, devido à densidade das matérias-primas, nomeadamente o chumbo que representa

aproximadamente 65 % do peso do produto final.

3.1 Princípios de funcionamento

As baterias, sucintamente, são constituídas por dois elétrodos de polaridades opostas

imersos num eletrólito. De um modo geral, a força eletromotriz de uma bateria é dada pela

Eq. (1), que resulta da diferença entre os dois potenciais de equilíbrio dos elétrodos negativo e

positivo, dados pela Eq. (2) (equação de Nernst) ([13],[5]).

pose

ba

nege

ba EEE .

/

.

/ (1)

knF

RTEE ba

negepose

ba ln0

/

./.

/ (2)

Na Eq. (2), R representa a constante dos gases perfeitos, T representa a temperatura,

n representa o número de eletrões envolvidos na reação eletroquímica, F representa a

constante de Faraday, k representa a constante de equilíbrio para reações eletroquímicas,

dada pela Eq. (3), e 0

/baE representa o potencial padrão do elétrodo, dado pela Eq. (4).

reagentes

produtos

a

ak

(3)

Na Eq. (3), a representa a atividade iónica ou dos produtos ou dos reagentes.

Ressalvar que, tal como é sabido, a atividade de substâncias no estado sólido é igual à

unidade, e ainda que a atividade do ião hidrogénio pode ser escrita em unidades de pH.

8

nF

ΔGEa/b

00 (4)

Na Eq. (4), 0G representa a energia de Gibbs padrão, dada pela Eq. (5), sendo que

as restantes variáveis, nomeadamente n e F, mantêm a mesma conotação.

000

reagentesprodutos ΔGΔGΔG (5)

Em particular para as baterias de chumbo-ácido, é necessário evidenciar que estas são

constituídas por três matérias ativas: o PbO2, que na descarga atua como elétrodo positivo

)(42 / PbSOPbOE ; o Pb esponjoso, que na descarga atua como elétrodo negativo )(

4/ PbSOPbE ; e o

H2S04, que atua como eletrólito. Assim, fazendo as substituições necessárias, ou seja,

substituindo a Eq. (5) na Eq. (4), substituindo as Eq.s (3) e (4) na Eq. (2) e ainda substituindo

as constantes pelos seus valores numéricos, obtêm-se para cada elétrodo as seguintes

equações:

Elétrodo Negativo

)a,(),(ESOPb/PbSO 2

44log02903580 (6)

Elétrodo Positivo

)a,a,pH,(),(ESOOH/PbSOPbO 2

4242log0290log059011806831 (7)

Por fim, tendo em conta a Eq.(1), apresenta-se a equação que traduz a força

eletromotriz de uma célula de uma bateria de chumbo-ácido, dada pela Eq. (8).

)a,a,pH,(),(ΔESOOH 2

42log0290log059011800412 (8)

A força eletromotriz, como é possível observar na Eq. (8), depende do pH e das

atividades da água e dos iões sulfato presentes no eletrólito. Além disso, também depende da

temperatura, a qual foi substituída por 298,15 K para efeitos de cálculo. Optou-se por usar tal

temperatura, pois, por norma e convenção, a Energia livre de Gibbs padrão é calculada àquela

temperatura.

As reações eletroquímicas que geram tal força eletromotriz, isto é, as reações de carga

e descarga, decorrem na interface elétrodo-eletrólito e apresentam-se seguidamente.

3.1.1 Processos de carga e descarga

As baterias de chumbo-ácido, por serem baterias secundárias, exibem a capacidade de

voltarem a ser carregadas quando lhes é imposta corrente elétrica. Porém, do ponto do

utilizador, a reação de descarga é a mais relevante, isto é, quando a mesma está a operar,

fornecendo energia.

No processo de descarga, tal como em todas em reações de oxidação-redução, o

elétrodo negativo, também designado de ânodo ou agente redutor, oxida-se. Por oposição, o

elétrodo positivo, também designado de cátodo ou agente oxidante, reduz-se. Daí o Pb

esponjoso atuar como elétrodo negativo, pois apenas se pode oxidar. O mesmo é válido para o

PbO2, que apenas se pode reduzir, sendo o elétrodo positivo.

9

Seguidamente, apresentam-se as semirreações de oxidação, dadas pelas Eq.s (9)

e (10), as semirreações de redução, dadas pelas Eq.s (11) e (12). Apresenta-se ainda a

reação global de oxidação redução, dada pela Eq. (13) e que resulta da soma das demais

reações ([13],[9]).

Elétrodo Negativo

2ePbPb 2descarga (9)

4

descarga2

4

2 PbSOSOPb (10)

Elétrodo Positivo

OH2Pb2e4HPbO 2

2descarga

2 (11)

4

descarga2

4

2 PbSOSOPb (12)

Reação global

O2H2PbSO2SO H4PbOPb 24

descarga2

42 (13)

Salienta-se que, nas reações de descarga, ao formar-se água, verifica-se a diminuição

da concentração da solução eletrolítica com consequente aumento do pH. Tal facto, traduz-se

numa diminuição da tensão. Quando as baterias apresentam uma tensão de 1,70-1,80 V estas

consideram-se descarregadas e necessitam de ser carregadas. Tal facto é explicado, pois o

sulfato de chumbo que se forma sobre os elétrodos impede a penetração do eletrólito.

Por fim, apenas acrescentar, que as reações de carga são as reações inversas às Eqs.

(9) a (13). Neste processo, através da imposição adequada de corrente elétrica o sulfato de

chumbo e a água voltam a converte-se em chumbo esponjoso, dióxido de chumbo e ácido

sulfúrico.

3.1.2 Recombinação de H2 e O2 em H2O

Nas reações de carga, ocorrem reações secundárias, nomeadamente a eletrólise da água.

Este processo, caracterizado pela decomposição da água em O2 e H+

através da imposição de

corrente elétrica, traduz-se em processos de manutenção constantes, pois a perda de água

afeta a concentração do eletrólito, que aumenta. Assim, as reações de recombinação surgem

para colmatar tal facto e evitar os processos de manutenção.

A reação de eletrólise da água é dada pela Eq. (14) e as reações de recombinação, que são

exotérmicas, são dadas pelas Eq.s (15) a (17). Salienta-se que, a soma destas 3 últimas

equações originam a reação inversa à da eletrólise dada pela Eq. (14) ([13]).

eO 2H2O

2

1H 2

Elétrica E.

2 (14)

PbOO2

1Pb 2 (15)

10

OPbSOSOH 24

Elétrica E.

42 HPbO (16)

424 HPb2H2PbSO SOe

(17)

Nas baterias recombinantes, aquando da eletrólise, o O2 produzido no elétrodo positivo

difunde-se para o elétrodo negativo através do separador/gel que deve ser poroso e de

espessura reduzida. Além disso, a difusão do oxigénio é ainda facilitada, pois este composto

apresenta um coeficiente de difusão bastante superior ao do ácido sulfúrico, resultando num

elevado transporte de massa do O2.

À medida que a recombinação ocorre, a saturação do eletrólito no separador irá

diminuir, permitindo que a recombinação ocorra mais rapidamente. Por outro lado, visto esta

ser uma reação exotérmica, pode trazer consequências graves levando ao thermal runaway e

por isso perda de capacidade. Este fenómeno está, portanto, associado ao volume livre que

nas baterias de gel é menor, daí este problema ser mais recorrente em baterias AGM. Deste

modo, utilizando-se separadores adequados e tendo atenção ao nível da saturação —que deve

ser mantido entre 80-90 %— obtém-se uma eficácia de 98-99% de recombinação. O oxigénio e

hidrogénio que não reagiram acumulam-se no interior da bateria, provocando um acréscimo de

pressão. Assim, são utilizadas válvulas reguladoras de pressão que abrem e fecham

controlando a pressão do sistema.

A recombinação é apenas empregue no fabrico de baterias VRLA, sendo que as

baterias de ácido livre ainda exigem manutenção. Este tipo de bateria, por não apresentar

recombinação de gases, revela uma perda de água mais elevada que as baterias

recombinantes. Para colmatar tal facto, deve-se adicionar água destilada para evitar que a

densidade do ácido aumente, levando a passivação, corrosão das placas positivas e curto-

circuitos.

3.2 Tecnologias existentes: baterias chumbo-ácido

As baterias produzidas atualmente inserem-se em uma de duas categorias: primárias e

secundárias, sendo que o que distingue uma bateria primária duma secundária é a

característica que esta tem de voltar a ser carregada ou não. Assim, as baterias primárias não

poderão voltar a ser carregadas, tal como acontece no caso de uma pilha de relógio. Por

oposição, as secundárias exibem tal capacidade, tal como acontece com a bateria dum

computador portátil. Estas, por apresentarem esta capacidade, são muitas vezes chamadas de

acumuladores.

No contexto das baterias chumbo-ácido existem atualmente 3 grandes ramos que se

denominam baterias estacionárias, de tração e de arranque. Dentro destas ainda é possível

destacar duas tecnologias, as baterias VRLA e as de ácido-livre, ambas produzidas na fábrica

da Exide Technologies, Lda.

.

Abaixo apresenta-se uma ilustração com as diversas tecnologias existentes com

enfoque nas baterias chumbo-ácido.

11

Fig. 5 – Tecnologias existentes: baterias chumbo-ácido ([6]).

As baterias de arranque, também geralmente denominadas SLI (Starting, Lightning,

Ignition), são utilizadas no arranque dos motores de combustão de automóveis. Estas numa

primeira fase têm de conseguir fornecer uma grande quantidade de energia num curto espaço

de tempo e posteriormente apenas é necessário que estas mantenham o circuito elétrico do

veículo, fase em que já não é necessária tanta energia.

As baterias de tração são utilizadas em veículos elétricos tais como empilhadores,

veículos de limpeza, carros de golfe, etc.. Estas têm um tempo de vida maior do que as de

arranque e uma maior capacidade. Além disso, têm a particularidade de conseguir funcionar

em regimes de descarga profunda onde é possível utilizar cerca de 80% da capacidade da

bateria antes de ser necessário voltar a carregá-la.

As baterias estacionárias são utilizadas em telecomunicações, sistemas de UPS,

fábricas, centrais nucleares e elétricas, a acionar quando a fonte de energia principal falha,

atuando como linha de defesa, evitando falhas elétricas neste tipo de instalações. Este tipo de

baterias tem a particularidade de ter um ciclo de vida maior que as baterias de tração e

arranque, chegando a 25 anos.

Os referidos três tipos subdividem-se ainda em outros dois tipos, as baterias VRLA e as

de ácido livre, ambas produzidas na Exide Technologies, Lda.

. Seguidamente abordar-se-ão

estes dois tipos em maior detalhe.

3.2.1 Baterias de ácido livre

As baterias deste tipo, também denominadas vented ou flooded e tal como o nome

indica, são caracterizadas por possuírem o eletrólito – H2SO4 – livre com os dois elétrodos

imersos no mesmo, apresentando baixa resistência interna e alta performance. Apresentam um

12

tempo de vida muito elevado, 25 anos aproximadamente, elevadas capacidades e SOC

mensurável através da densidade do ácido como maior vantagem. A maior desvantagem

prende-se com a manutenção necessária e com o transporte das mesmas. Como o eletrólito

está livre, leva a que esporadicamente estes equipamentos sejam cheios apenas no local de

utilização devidos aos cuidados a ter quando se transporta ácido sulfúrico.

Na Exide Technologies, Lda.

produz-se um tipo destas baterias, as baterias GroE de

apenas um elemento, ou seja, de 2 V. Estas são produzidas com placas de 25 Ah e 100 Ah e

através de vários arranjos de placas. Comercializam-se GroE com capacidades que variam

entre os 75 Ah e os 2800 Ah. Abaixo apresenta-se uma bateria, a ―15 GroE 375‖, onde 15

denota o número de placas positivas e o 375 a capacidade em ampere-hora. Assim, esta é

constituída por 15 placas de 25 Ah, sendo que também existe o ―15 GroE 1500‖, onde as

placas são de 100 Ah.

Fig. 6- Bateria de ácido livre, ―15 groE 375‖.

Tal como se pode visualizar pela imagem da Fig. 6, nestas baterias o bloco é

transparente visto que requerem manutenção, sendo assim mais fácil observar a progressiva

perda de água. Apesar de não ser facilmente visível, ressalva-se que estas baterias também

utilizam um separador de resina fenólica, apenas para evitar que as placas positivas entrem em

contacto com as negativas evitando curto-circuitos, e assinala-se ainda que as placas positivas

não são empastadas, por serem placas Planté.

3.2.2 Baterias VRLA

As baterias VRLA, visivelmente diferentes das baterias de ácido livre, possuem o

eletrólito absorvido num separador de fibra de vidro ou imobilizado sob a forma de gel nos

casos de baterias AGM e gel, respetivamente. Ao manusear o eletrólito, independentemente do

tipo, é necessário garantir que a sua densidade, que varia com a temperatura, se mantém

estável, de modo a obter os resultados pretendidos durante os processos de carga e descarga

principalmente. Além disso, visto que ocorre recombinação do oxigénio e hidrogénio, este tipo

de bateria é isenta de manutenção, ou seja, não lhe é reposta água, visto as perdas serem

desprezáveis.

Este tipo de tecnologia, e tal como o nome indica, possui válvulas que ao serem

sensíveis à pressão abrem e fecham permitindo que se libertem gases e evitando a entrada de

oxigénio. Este fenómeno verifica-se quando a pressão interna atinge valores na gama de

60-400 mbar, consoante o tipo de bateria.

13

Apresentam vantagens e desvantagens, sendo que por terem o eletrólito imobilizado

estas tornam-se mais robustas, com maior resistência a movimentos, garantindo ainda maior

contacto com os elétrodos, facilitando a transferência de eletrões. Porém, acarretam maiores

custos de produção e apresentam tempos de vida inferiores — aproximadamente 10 anos.

Tal como se pode visualizar na Fig. 5, este tipo de baterias subdivide-se em outras

duas categorias, as baterias AGM e as de gel, ambas manufaturadas na Exide Technologies,

Lda.

, sendo que a gama AGM representa um volume de vendas consideravelmente maior.

3.2.2.1 Tecnologia: gel

Neste tipo de bateria, o eletrólito encontra-se imobilizado sob a forma de gel, isto é,

gelificado. Este é um gel tixotrópico constituído por sílica pirogénica hidrofílica compactada e

ácido sulfúrico. Ressalva-se que este gel também contém aditivos, ácido fosfórico e sulfato de

sódio anidro. Este gel pode ser armazenado até 3 dias antes de ser utilizado.

O gel tem como função servir de reservatório de ácido através das pontes de

hidrogénio que se estabelecem entre a sílica e o ácido sulfúrico, promovendo o contacto entre

o ácido e a sílica. Além disso, estabelece-se um bom contacto entre o gel e as placas

permitindo que o oxigénio e o hidrogénio se movimentem permitindo a recombinação, evitando

a perda de água. Através da recombinação tal como dito anteriormente, evita-se a

manutenção, sendo esta bateria isenta da mesma.

Este tipo de bateria inicialmente é bastante semelhante às de ácido livre, dado que o

eletrólito se encontra sob a forma de solução aquosa e que ocorre perda de água.

Seguidamente, o gel ―encolhe‖ criando-se fissuras, as quais permitem criar caminhos

preferenciais para O2 e H+ produzido nas placas positivas, o qual assim consegue mais

facilmente deslocar-se até às placas negativas. O fenómeno que ocorre inicialmente também

ocorre caso a intensidade de corrente seja muito elevada, porém, com consequências mais

severas, ocorrendo fenómenos de corrosão, daí não ser possível utilizar este tipo de baterias

em cargas e descargas rápidas.

Fig. 7 - Esquema de uma bateria de gel. 1) estado inicial do eletrólito 2) eletrólito com caminhos

preferenciais

Na Fig. 7 pode-se observar em 1 o eletrólito no seu estado inicial e em 2 os caminhos

preferenciais para o O2 que se criam com a utilização da bateria. Note-se que estas baterias

utilizam um separador de fibra de celulose para evitar curto-circuitos, apesar de não ser

observável na imagem.

14

Na fábrica da Castanheira, produzem-se 6 tipos de géis, sendo a quantidade em massa

de sílica sempre igual e as massas de H3PO4, H2SO4 e H2O variáveis. A aplicação dos géis é

feita em mais de 20 tipos de baterias, com capacidades compreendidas entre 1 e 19 Ah, cujas

aplicações recaem sobretudo em sistemas de UPS, equipamentos hospitalares e motas.

3.2.2.2 Tecnologia: AGM

Neste tipo de tecnologia o separador tem dupla função, ou seja, além de garantir que

não há curto-circuitos através do contacto das placas positivas com as negativas, também tem

como função ser poroso, absorvendo o eletrólito, deixando o mesmo de estar livre. O

separador de fibra de vidro é constituído por 85% de microfibras de vidro de borossilicato e

15% de fibras de polímeros. As primeiras são hidrofílicas, cuja função é absorver o eletrólito, e

as segundas são hidrofóbicas, cuja função é promover a formação de canais gasosos, onde

ocorre a recombinação, e ainda reforçar a resistência mecânica.

Este tipo de baterias ocupa um lugar de destaque na Exide Technologies, Lda.

, pois

representou em FY16 77% da totalidade de baterias fabricadas, sendo produzidas com

capacidades compreendidas entre 15 e 600 Ah e com aplicações em telecomunicações,

sistemas de iluminação de emergência, sistemas de UPS e sistemas de seguranças.

Por fim, apresenta-se uma figura, a Fig. 8, onde se evidenciam os principais

constituintes deste tipo de bateria.

Fig. 8 - 1- Armadura; 2- Placa positiva; 3- Placa Negativa; 4- Separador microporoso; 5- União positiva; 6-

União negativa; 7- Jogo; 8- Terminal; 9-Bloco; 10-Válvulas.

3.3 Ligas metálicas e armaduras

Ligas metálicas são empregues usualmente no fabrico de uniões, coletores e ainda no

fabrico de armaduras AGM. Estas, apesar de não participarem nas reações eletroquímicas,

atuam como elétrodos, desempenhando duas funções de grande relevo: suportam

mecanicamente o material ativo, resistindo, respetivamente, a expansões e contrações durante

o processo de carga e descarga; e permitem a passagem de corrente por toda a placa, ligando

os terminais e a matéria ativa ([16]).

15

3.3.1 Requisitos Industriais (atributos/qualidades/condições)

Visto as armaduras utilizarem como matéria-prima ligas dum metal pesado, tentou

desenvolver-se sem sucesso as mesmas noutros materiais devido às seguintes razões ([13]):

i. Placas positivas operam em zonas de potencial elevadas, sendo que apenas alguns

materiais não são oxidados;

ii. O eletrólito é demasiado corrosivo, ocorrendo passivação na maioria dos materiais, ou

seja, forma-se uma camada protetora de elevada resistência óhmica;

iii. O potencial de redução da água, utilizando outros materiais, é demasiado baixo

impossibilitando o decorrer das reações eletroquímicas.

Pelas razões supracitadas, verificou-se que o chumbo é o material mais barato que

permite cumprir tais requisitos, daí utilizarem-se ligas metálicas do mesmo, face a outros

metais pesados. Seguidamente, apresentam-se algumas propriedades físicas e químicas que

as ligas metálicas utilizadas no fabrico de armaduras devem possuir, nomeadamente ([13]):

i. Apresentarem dureza e resistência suficientes para suportar as tensões mecânicas e

térmicas incorridas durante o processo de fabrico e utilização da bateria;

ii. Apresentarem uma boa capacidade de moldagem. Deste modo, garante-se que os

moldes possam ser adequadamente cheios a temperaturas relativamente baixas,

evitando gastos energéticos desnecessários e perda de produção;

iii. Apresentarem boa soldabilidade, uma vez que as placas da bateria são soldadas entre

si, formando os elementos. Além disso, estes são ainda soldados entre si, formando a

bateria. Não respeitar esta propriedade resulta em placas ou jogos não soldados e por

isso inoperacionais;

iv. Apresentarem resistência à corrosão visto que durante o funcionamento da bateria, as

armaduras são sujeitas a potenciais muito elevados, os quais são termodinamicamente

instáveis, levando à corrosão. O dióxido de chumbo é estável para tais potenciais e a

camada passiva que se forma retarda a corrosão, apesar de não a eliminar. Visto que

as placas positivas são mais sensíveis a fenómenos de corrosão, estas determinam a

durabilidade e performance da bateria;

v. Apresentarem elevada condutividade de modo a reduzir perdas de energia.

vi. Apresentarem alta condutividade na camada passiva. Durante o processo de oxidação,

ou seja, corrosão, forma-se óxido e dióxido de chumbo, porém, apenas o último

apresenta baixa resistência específica. Deste modo, usam-se aditivos na liga que

permitem protege-la de fenómenos de corrosão e ainda acelerar a transformação do

óxido de chumbo em dióxido;

vii. Utilizarem aditivos economicamente viáveis, isto é, que devam ser utilizados em baixo

teor. Preferencialmente devem ser de fácil obtenção e baratos, de modo a produzir

armaduras de baixo custo.

Tendo em conta os atributos acima mencionados, foi-se verificando que ligas de Pb-Sb

cumpriam todos os requisitos, pois as armaduras produzidas a partir de ligas de antimónio são

16

suficientemente rígidas e capazes de sustentar o material ativo. Porém, as baterias produzidas

com ligas de Pb-Sb apresentavam elevados níveis de corrosão nas placas positivas e perdas

de água relevantes durante o período de carga e descarga. Para colmatar estas falhas,

passaram a utilizar-se ligas de Pb-Sb-Sn-Ag diminuindo-se o teor de antimónio, adicionando-se

estanho e prata. Deste modo, os problemas associados ao antimónio são suavizados, visto que

o estanho mantém a dureza elevada e a corrosão diminui devido ao efeito da adição da prata.

Todavia, os problemas de perda de água, ainda que menores, levaram à exploração de outros

tipos de ligas metálicas, nomeadamente ligas de Pb-Ca. Este tipo de liga apresentava

problemas de perda de capacidade, denominados PCL (sigla inglesa). Por fim, ao adicionar-se

estanho, solucionaram-se estes problemas, sendo que as ligas de Pb-Ca-Sn ainda hoje

dominam o mercado no setor das baterias de chumbo-ácido.

3.4 Ligas de Pb-Ca-Sn

Discutem-se a seguir as interações entre os 3 elementos constituintes desta liga.

Primeiramente, aborda-se a interação do chumbo com o cálcio, explicita-se o mecanismo de

endurecimento e analisam-se algumas propriedades mecânicas. Realiza-se, posteriormente, o

mesmo procedimento, abordando-se a interação do chumbo com o cálcio e estanho.

3.4.1 Interação Pb-Ca

As armaduras produzidas a partir deste tipo de liga, Pb-Ca, endurecem bastante

rapidamente, atingindo 80% da sua resistência máxima à tração ao fim de um dia e 100% ao

final de uma semana, aproximadamente.

Como se pode verificar através do diagrama de fases, dado pela Fig. 9, à temperatura

peritética de 328 °C, forma-se uma zona compreendendo 2 fases —-Pb + líquido— com

solubilidade máxima de 0,1 % (m/m) de Ca em Pb. Verifica-se que, com a diminuição da

temperatura, a solubilidade é progressivamente menor, e à temperatura ambiente, esta diminui

cerca de 10 vezes, para um valor de 0,01 % (m/m). Tal facto é explicado por o processo de

recristalização em fase sólida alterar a microestrutura das ligas, e por consequência, as suas

propriedades mecânicas ([13]).

Fig. 9 - Diagrama de fases Pb-Ca com enfoque na zona peritética([13]).

17

O método principal de endurecimento deste tipo de liga denomina-se por precipitação

descontínua, na qual ocorrem movimentos dos limites de grão com subsequente precipitação

de partículas ―secundárias‖ de Pb3Ca na matriz, com aumento da dureza. Quanto mais rápido

for o arrefecimento da liga, menor será o tamanho médio de grão de Pb-Ca. Além disso, este

diminui com o aumento do teor de cálcio.

O teor de cálcio é bastante importante, pois influencia diretamente diversas

propriedades, mecânicas e outras, sendo as mais relevantes: a tensão de limite elástico; a

rutura à fluência; a resistência à tração; e a taxa de corrosão. Na Fig. 10 é possível observar a

dependência destas 4 propriedades com o teor de cálcio até valores de 0,14 % (m/m).

Fig. 10 - Tensão de limite elástico (a), resistência à tração (b), rutura à fluência (c) e taxa de corrosão (d)

em função do teor de cálcio ([13]).

Nos quatro gráficos da Fig. 10, a composição peritética —0,07 % (m/m) de Ca— está

demarcada por dois traços verticais paralelos e contíguos, a partir da qual existem alterações

comportamentais da liga de Pb-Ca.

De um modo geral, as propriedades mecânicas, dadas pelos gráficos a) a c), melhoram

com o aumento do teor de cálcio até à composição peritética e declinam após este máximo. A

rutura à fluência diminui abruptamente para ligas com Ca > 0,08 % (m/m), o que resulta no

aumento em volume das placas positivas ao longo dos vários ciclos de funcionamento.

Consequentemente, o contacto entre a armadura e a matéria ativa positiva fica comprometido,

afetando sobretudo a duração média de cada ciclo de funcionamento, encurtando-o.

A taxa de corrosão, como é visível em d), também aumenta com o aumento do teor de

cálcio, fenómeno explicado pela segregação deste elemento. Todas as ligas de chumbo têm

alguma segregação dos elementos constituintes da mesma durante a solidificação, não sendo

18

exceção este tipo de liga. Porém, as ligas de chumbo-cálcio solidificam duma forma particular e

diferente das demais ligas de chumbo, pois solidificam através duma reação peritética.

Em armaduras constituídas por ligas de Pb-Ca, ocorre uma segregação significativa do

cálcio durante a solidificação. Na Fig. 9, é possível observar que, para o mesmo teor de cálcio

nominal, o primeiro e último materiais a solidificar —o centro de subgrão e as fronteiras de

subgrão, respetivamente— apresentam teores de cálcio totalmente diferentes. Através da

mesma figura, a Fig. 9, pode-se observar que, para um teor de cálcio nominal de 0,04 % (m/m),

o centro de subgrão contém 0,075 % (m/m) de cálcio, enquanto a fronteira de subgrão apenas

contém 0,013 % (m/m) de cálcio. Na Tabela 3, é possível observar a relação entre o teor de

cálcio nominal e respetivo teor de cálcio no centro e fronteiras de subgrão.

Tabela 3 - Teores de cálcio: nominal; centro de subgrão; fronteira de subgrão.

Teo

r d

e C

a

[%(m

/m)]

Nominal 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070 0,080 0,100

Centro de subgrão

0,050 0,065 0,075 0,082 0,090 0,095 0,100 0,100*

Fronteira de subgrão

0,035 0,010 0,013 0,018 0,025 0,035 0,045 0,080

*Com precipitação de partículas ―primárias‖ de Pb3Ca

Teores de cálcio acima de 0,075 % (m/m) resultam num aumento dramático no teor de

cálcio no centro de subgrão e respetivos limites. Este aumento tão expressivo no conteúdo de

cálcio está associado a uma maior taxa de corrosão, levando a mudanças estruturais na liga.

Contudo, é necessário que a segregação exista, pois esta origina o movimento dos limites de

grão que promovem a precipitação descontínua, fortalecendo as ligas binárias de Pb-Ca.

Atualmente, ligas constituídas somente por chumbo e cálcio não são utilizadas para o

fabrico de armaduras positivas, a não ser em casos excecionais. Porém, conclui-se que as

propriedades mecânicas ótimas são atingidas para teores de Ca entre 0,065 e 0,075 % (m/m).

3.4.2 Interação Pb-Ca-Sn

Adições de estanho a ligas de chumbo-cálcio alteram drasticamente o processo de

endurecimento da nova liga obtida, a de Pb-Ca-Sn. Nesta liga o mecanismo de endurecimento

predominante é a precipitação contínua de Sn3Ca. ([13])

Na liga de Pb-Ca-Sn, para teores de estanho reduzidos, o cálcio precipita rapidamente

sob a forma de Pb3Ca da mesma maneira que nas ligas binárias de chumbo-cálcio, onde

predomina a precipitação descontínua. Aumentando o teor de estanho, observa-se que a

precipitação muda para um modo misto, onde ocorre a precipitação descontínua de Pb3Ca

acompanhada por reações de precipitação contínua, com formação de compostos do tipo

(PbSn)3Ca. Quando a razão Sn/Ca é superior a 9:1, ocorre precipitação contínua com

formação de partículas de Sn3Ca e de (PbSn)3Ca.

Na Fig. 11, mostra-se um diagrama onde é possível observar as áreas de estabilidade

dos precipitados descontínuos de Pb3Ca, dos precipitados mistos de Pb3Ca, Sn3Ca e de

(PbSn)3Ca e a região dos precipitados contínuos de Sn3Ca e de (PbSn)3Ca.

19

Fig. 11 - Equilíbrio Pb-Ca-Sn: teor de estanho vs. teor de cálcio e respetivos compostos formados ([9]).

A melhoria das propriedades mecânicas e da resistência à corrosão deve-se sobretudo

à mudança morfológica das precipitações de cálcio, ou seja, de Pb3Ca para Sn3Ca. Na Fig. 12,

é possível observar a dependência da tensão de limite elástico, da rutura à fluência, da

resistência à tração e da taxa de corrosão em função do teor de cálcio até valores de 0,14 %

(m/m), para duas composições diferentes de estanho, 0,5 % (m/m) e 1,5 % (m/m).

Fig. 12 –Tensão de limite elástico (a), resistência à tração (b), rutura à fluência (c) e taxa de corrosão (d)

em função do teor de cálcio para composições de Sn=0,5 (m%m) ou Sn=1,5 (m%m) ([13]).

Através de uma análise breve, pode-se observar que as propriedades mecânicas das

ligas de Pb-Ca-Sn melhoram à medida que o teor de estanho aumenta, porém, não é possível

afirmar o mesmo em relação ao teor de cálcio. Armaduras cujo teor de cálcio é elevado podem

20

não apresentar boas propriedades mecânicas. Tal facto é visível quando se ultrapassa a

composição peritética de cálcio, 0,07 % (m/m), sendo que, tal como no equilíbrio binário

chumbo-cálcio, as propriedades pioram.

A corrosão é fortemente afetada pela razão Sn/Ca, que deve ser superior a 9:1 —zona

onde ocorre precipitação contínua. Ligas com elevado teor de cálcio e baixo teor de estanho

apresentam: uma estrutura de grão fino; uma razão entre estanho e cálcio inferior a 9, onde

predomina a precipitação descontínua ou mista; e taxas de corrosão elevadas. Por exemplo, à

composição peritética de 0,07 % (m/m) de cálcio, o aumento do teor de estanho de 0,5 para

1,5 % (m/m), traduz-se num aumento da razão Sn/Ca de 7,14 para 21,42, observando-se taxas

de corrosão menores.

Além da corrosão, também a própria estabilidade da liga está associada à segregação

do estanho e do cálcio. A segregação do estanho ocorre duma forma oposta à do cálcio, pois o

estanho é altamente segregado para os limites de subgrão e menos segregado para o centro

de subgrão. Na Tabela 4, é evidenciado tal facto ao variar-se o conteúdo de estanho para uma

composição fixa de 0,04 % (m/m) de cálcio.

Tabela 4 - Teores de estanho: nominal; centro de subgrão; fronteira de subgrão. Liga de Pb-0,04%Ca-Sn.

Teo

r d

e S

n

[%(m

/m)]

Nominal 0,30 0,50 0,80 1,20

Centro de subgrão

0,30 0,45 0,75 1,15

Fronteira de subgrão

0,40 0,80 1,50 2,60

Na Tabela 5, são apresentados os teores de Sn necessários para a estabilidade de

ligas Pb-Ca-Sn em função do teor de Ca, incluindo e excluindo a segregação de cálcio.

Tabela 5 – Teores de estanho necessários para a estabilidade de ligas Pb-Ca-Sn em função do teor de

cálcio, excluindo e contabilizando segregação de elementos na matriz.

Excluindo Segregação Contabilizando Segregação

Ca nominal (%(m/m))

Sn necessário, nominal a 12:1

(%(m/m))

Ca nominal (%(m/m))

Ca, centro de grão

(%(m/m))

Sn necessário, centro de grão a 9:1 (%(m/m))

Sn necessário, centro de grão a 12:1 (%(m/m))

0,020 0,240 0,020 0,050 0,450 0,600

0,030 0,360 0,030 0,065 0,585 0,780

0,040 0,480 0,040 0,075 0,675 0,900

0,050 0,600 0,050 0,082 0,738 0,984

0,060 0,720 0,060 0,090 0,810 1,080

0,070 0,840 0,070 0,095 0,855 1,140

0,080 0,960 0,080 0,100 0,900 1,200

Fazendo uma análise global às Tabela 3 a Tabela 5, podemos concluir que no fabrico e

produção de ligas metálicas, tal como a de Pb-Ca-Sn, é necessário ter em consideração a

21

interação dos elementos constituintes da liga. Por exemplo, ligas cujo teor nominal de cálcio é

de 0,04 % (m/m) apresentam no centro de subgrão teores muito mais elevados, de 0,075 %

(m/m). Para garantir que estamos na zona de precipitação contínua (Sn/Ca > 9:1), onde

precipitam partículas de Sn3Ca, é necessário garantir que o teor de estanho no centro de

subgrão seja de 0,675 % (m/m) ou superior. Assim sendo, para assegurar a total estabilidade

da liga, é comum subir a razão Sn/Ca para 12:1, sendo necessário um teor de estanho ainda

maior, de 0,90 % (m/m). Caso não atentássemos à segregação do cálcio no centro de subgrão,

um teor de 0,48 % (m/m) de estanho seria suficiente, porém, a liga apresentaria problemas de

estabilidade e elevadas taxas de corrosão. Para finalizar, e tendo em conta o modo como o

estanho é segregado, é necessário que o teor de estanho nominal seja maior que o necessário

nos centros de subgrão.

22

Capítulo 4 – Processo produtivo de uma bateria AGM

O processo produtivo de baterias AGM, que é semelhante ao das de gel, engloba

diversas fases, desde a produção de armaduras até ao acabamento, última etapa do processo.

Desde o inicio do processo até à sua conclusão, incluindo testes, análises necessárias e tempo

de quarentena, este tem uma duração aproximada de três semanas, entre 20 e 22 dias.

Seguidamente apresenta-se o diagrama de blocos do processo produtivo da unidade fabril,

dado pela Fig. 13 ([6] e [8]).

Fig. 13 - Diagrama de blocos do processo de produção de uma bateria AGM.

4.1 Fundição

Ligas metálicas são empregues usualmente no fabrico de uniões, coletores e ainda no

fabrico de armaduras AGM. Nesta etapa processual, utilizando ligas de Pb-Ca-Sn, produzem-

se as armaduras AGM. Estas, apesar de não participarem nas reações eletroquímicas, atuando

como elétrodos, desempenham duas funções de grande relevo: suportam mecanicamente o

material ativo, resistindo, respetivamente, a expansões e contrações durante o processo de

carga e descarga; e permitem a passagem de corrente por toda a placa, ligando os terminais e

a matéria ativa. ([6])

Até setembro de 2016, a CH dispunha apenas de uma tecnologia de produção de

armaduras designada de Gravidade. Atualmente, e com a montagem de uma nova Linha,

dispõem de outra tecnologia de fundição, a qual é mais recente e permite obter volumes de

produção bastante superiores. Esta tecnologia denomina-se de Fundição Continua (Continuous

Casting, usualmente designada de Concast) e na CH apenas é utilizada para produção de

armaduras AGM negativas, sendo todas as armaduras positivas produzidas através da

tecnologia de Gravidade.

23

Tendo em conta que, esta Dissertação tem como foco melhorar a dureza apenas de

um tipo de armadura e esta é positiva apenas se explica em detalhe a tecnologia de Gravidade.

O processo produtivo de uma armadura AGM, utilizando a tecnologia de Gravidade,

decorre em várias fases, desde a inserção dos lingotes de liga metálica nos cadinhos até ao

armazenamento das mesmas para posterior uso no empastamento, tal como é percetível pelas

correntes 1 e 2 da Fig. 13.

Como ponto de partida, os lingotes de liga metálica, de 50 kg no máximo, são

colocados através de um sistema semiautomático no cadinho. Este equipamento, através de

resistências elétricas gera temperaturas entre 480 e 510 ºC, fundindo as diversas ligas, as

quais irão alimentar três máquinas de fundição (designadas internamente por Grupo). Os

cadinhos têm capacidades variáveis, compreendidas entre 3 e 9 t.

Seguidamente, a liga fundida é transportada para um recipiente menor, denominado

colher. A partir deste recipiente, por gravidade, a liga é vertida para um molde, onde é formada

a armadura. O molde é composto por duas peças móveis, que abrem e fecham, denominadas

molde superior e inferior. Além disso, o molde é revestido com um desmoldante, constituído por

polisiloxanos e solventes voláteis, utilizado para evitar que as armaduras fiquem coladas ao

mesmo, funcionando como antiaderente até à temperatura máxima de 260 ºC. Salienta-se que,

é necessário revestir periodicamente os moldes e ainda que estes têm temperaturas de

funcionamento entre 160 e 220 ºC, de modo a evitar o fenómeno mencionado anteriormente.

Aquando da abertura do molde, a armadura encontra-se em estado sólido, visto a

temperatura do molde ser substancialmente menor do que a colher. Seguidamente, a armadura

é pulverizada com água de arrefecimento, com temperaturas entre 40 e 80 ºC, o que confere

rigidez ao produto. Posteriormente, a armadura avança para uma guilhotina, onde é cortado o

excesso de liga, que regressa ao cadinho.

Por fim, através de um sistema de rolos de transporte, a armadura é encaminhada para

o operador, o qual apara as extremidades das armaduras, retirando eventuais rebarbas.

4.2 Produção de pasta e empastamento

De modo a ser possível empastar as armaduras provenientes da fundição, é

necessário primeiramente produzir o óxido de chumbo, constituinte maioritário da pasta. Este

processo decorre nos moinhos, nos quais são alimentados lingotes de chumbo com um grau

de pureza de 99,985%. Os moinhos são, então, responsáveis por transformar os lingotes em

pequenas partículas, capazes de serem oxidadas.

Atualmente, a nível industrial são empregues duas tecnologias de moagem, Barton pot

e moinho de bolas (ball mill), sendo que a primeira é uma tecnologia mais recente e ainda não

é empregue na fábrica da Castanheira. Porém, a tecnologia do moinho de bolas apresenta

algumas vantagens, tais como: processo mais facilmente controlado; maior taxa de produção;

sazonamento (etapa posterior ao empastamento) mais rápido; e produção de tiradas

empastadas mais rígidas.

A unidade fabril dispõe de dois modelos diferentes de moinhos de bolas, designados

por Chloride e CAM, apresentando algumas diferenças entre si. No moinho Chloride os lingotes

24

de chumbo são adicionados diretamente ao moinho, cuja velocidade de rotação os faz chocar

entre si. Já no caso do moinho CAM estes são adicionados primeiramente a um cadinho, onde

se formam pequenos cilindros de chumbo, os quais já podem ser adicionados ao moinho.

Através da colisão das partículas de chumbo, nos moinhos formam-se continuamente

partículas de menor dimensão, até se obter pó de chumbo. Esta etapa do processo é

exotérmica e por isso é necessário utilizar água de arrefecimento para manter a temperatura

entre 90 e 100 ºC. Nos Chloride a água é injetada na carcaça e nos CAM é pulverizada

diretamente no interior do moinho.

Na fase seguinte, é injetado ar previamente aquecido, cuja função é oxidar as

partículas de chumbo a PbO e como arrastador destas mesmas partículas desde a carcaça,

passando pelo classificador, até ao ciclone. Quanto maior o grau de oxidação menor é a

probabilidade de existirem descontrolos térmicos. Por norma, 75% do chumbo é convertido em

óxido do mesmo segundo as reações:

e2PbOPb 2 (18)

2

2 OPbOPbO (19)

A Eq. (18) dá-se na interface Pb/PbO e a segunda reação dada pela Eq. (19) dá-se na

interface PbO/ar. Ressalva-se que o óxido de chumbo obtido neste tipo de moinhos apresenta

no seu todo estrutura tetragonal (-PbO). Já nos moinhos Barton obtém-se PbO de estrutura

tetragonal e ortorrômbica (-PbO) na proporção de 7:3, sendo -PbO o componente

maioritário.

Seguidamente, no caso do moinho Chloride transporta-se o chumbo oxidado para um

classificador, que garante que apenas partículas de grânulo suficientemente pequeno são

admitidas na entrada do ciclone, cuja função é separar o óxido de chumbo do ar introduzido

durante a oxidação. No moinho CAM, visto não existir nem classificador nem ciclone, o pó de

PbO é sugado por um exaustor controlado por válvulas, produzindo partículas de maior grão. O

óxido é armazenado em tulhas, onde fica em repouso de modo a permitir que a sua reatividade

e carga térmica estabilizem.

De modo a formar as pastas positivas e negativas, junta-se ao óxido proveniente dos

moinhos água desionizada, ácido sulfúrico e aditivos, utilizando amassadoras. Os aditivos são

utilizados para conferir melhores propriedades à pasta. Um dos aditivos, que se utiliza em

ambas as pastas, são as fibras de poliéster, responsáveis por melhorar a consistência das

pastas produzidas. Porém, à pasta negativa é necessário juntar outros aditivos, que funcionam

como expansores: sulfato de bário; negro de fumo; e vanisperse A ([6]). Estes são empregues

com o objetivo de aumentar a área superficial (porosidade) do elétrodo. Além disso, também

são responsáveis por assegurar o crescimento uniforme dos cristais de PbSO4 e por reduzir a

queda inicial de tensão na bateria (―coup de fouet‖).

Durante o processo de preparação das pastas ocorre a formação de sulfatos de

chumbo hidratados. Com vista a obter uma pasta constituída maioritariamente por sulfato de

chumbo tribásico (3BS), cujos cristais apresentam elevada porosidade e tamanho, não se

25

devem exceder os 60ºC, evitando, assim, a formação de sulfato de chumbo tetrabásicos (4BS).

Ao produzir 3BS garante-se que a pasta tem maior superfície ativa, maior capacidade

energética e maior dureza.

Os três parâmetros a ter em conta nesta fase do processo são a temperatura da pasta

no final do processo, a densidade da mesma e a penetração (medida com um penetrómetro).

A temperatura não deve exceder os 42 ºC, de modo a não afetar a humidade da pasta durante

o processo de empastamento e sazonamento. A densidade influencia o tempo de vida e a

penetração influencia a porosidade da matéria ativa, ou seja, a capacidade futura da bateria.

No entanto, é necessário atingir um balanço entre estas grandezas visto que estas são

inversamente proporcionais, daí o controlo ser rigoroso.

Após a produção da pasta, segue-se o empastamento das armaduras AGM. Existem

dois tipos de tecnologia na fábrica da Castanheira: Cotton Belt e Conpast (continuous pasting).

A primeira utiliza as armaduras produzidas por Gravidade (armaduras positivas e negativas) e

a segunda utiliza armaduras produzidas por uma Linha Concast (continuous casting, só

armaduras negativas). Ambas as tecnologias utilizam uma tremonha e um forno. A tremonha

doseia a pasta proveniente da amassadora e, na passagem, a armadura é empastada. O forno

serve para retirar parte da humidade superficial, evitando que as placas ou as tiradas, ao

serem agrupadas, fiquem coladas entre si. A humidade das placas ou das tiradas à saída do

forno deve ser de 8,5–10 %. Na Linha Conpast, visto as placas serem empilhadas

automaticamente na horizontal, é colocado, também automaticamente, papel para as separar.

Nas Linhas Cotton belt tal procedimento não é necessário, pois estas são dispostas

manualmente na vertical.

As características a manter são, portanto, a humidade, o peso e a espessura da tirada

ou placa de maneira a não variar as condições iniciais do sazonamento.

4.3 Sazonamento

O processo de sazonamento, posterior ao empastamento, tem como objetivo melhorar

três parâmetros das tiradas: adesão, coesão e porosidade. A adesão e coesão são forças de

ligação, sendo a primeira entre a pasta e a armadura e a segunda entre as partículas da pasta

(entre si). A porosidade, que se pretende elevada para garantir elevada área superficial,

formação e crescimento dos cristais de 3BS, traduz-se numa boa performance futura da

bateria. As propriedades referidas são conseguidas através do controlo da temperatura e

humidade, utilizando câmaras de sazonamento e respetivos programas.

O sazonamento é um processo que comporta três etapas: enchimento da câmara (até

10 horas); cura das tiradas (21 horas); e secagem (15 horas). A fase de cura comporta os

principais fenómenos químicos: recristalização do material ativo; evaporação da água na pasta;

formação duma camada de corrosão na armadura; e oxidação do chumbo residual em

Pb(OH)2. O chumbo residual tem que ser oxidado, pois este além de ser um material inativo

gera placas com menor área superficial, devido à sua maior densidade relativamente aos

compostos de chumbo sulfatados. Contudo, é necessário encontrar um equilíbrio na humidade

da pasta, pois a evaporação de água benéfica para formar a camada de corrosão, em demasia

26

pode ser prejudicial à oxidação do chumbo residual. Quanto à fase de secagem, esta diminui a

humidade para valores inferiores a 1 %. Através da evaporação de água, a placa perde volume

encolhendo ligeiramente, ganhando resistência mecânica, visto que até esta fase as partículas

da pasta só estão ligadas ou pelas suas partes hidratadas ou por filmes de água.

4.4 Corte de Placas

De modo a obter placas utilizáveis nos processos de montagem, nomeadamente nos

processos de soldadura, é necessário que as tiradas sejam cortadas através de um disco

automático ou manualmente. Para tal efeito, estas são cortadas nos ligadores e nas patilhas.

Fig. 14 - Lingotes, armaduras, tiradas e placas de chumbo. a) Lingote, b) armadura de painel duplo, c) tirada dupla empastada, d) duas placas não formadas, e) duas placas formadas, f)

armadura de painel simples, g) tirada simples empastada, h) uma placa não formada e i) uma placa formada.

Através da Fig. 14 é possível observar que o processo de corte é diferente em tiradas

de painel simples ou múltiplo. No caso das tiradas de painel múltiplo cortam-se os ligadores e

aparam-se e limpam-se as patilhas. No caso das de painel simples, visto não existirem

ligadores, apenas é aparada e limpa uma das patilhas, visto a outra já não ser necessária,

sendo apenas necessárias duas patilhas iniciais por questões processuais.

4.5 Montagem

Esta etapa do processo, fortemente automatizada, é caracterizada pela colocação e

junção de todos os constituintes da bateria dentro do bloco. Na unidade fabril existem,

atualmente, cinco Linhas de montagem, sendo uma dedicada ao fabrico de baterias de gel e as

restantes a baterias AGM.

O processo de montagem vai desde a preparação dos jogos até ao enchimento da

bateria com eletrólito. Na preparação dos jogos são colocadas n placas positivas e n+1 placas

negativas, intervaladas por n separadores AGM. As placas positivas ditam a capacidade da

bateria, assim, colocam-se as negativas nas extremidades, daí as negativas estarem em

excesso. Deste modo, aproveitam-se ambas as faces de cada placa positiva.

Seguidamente, os jogos armados são alinhados e comprimidos, as patilhas são limpas

e aquecidas, e posteriormente imersas num banho de estanho. As patilhas estanhadas são

27

seguidamente inseridas num molde, onde são unidas segundo a sua polaridade — processo

denominado soldadura COS (Cast On Strap). Caso os jogos unidos tenham passado nos

testes de curto-circuito, a futura bateria avança para a soldadura TTP (Through The Partition).

Neste processo os jogos são soldados entre si através da passagem duma corrente elevada e

é aferida novamente a existência de curto-circuitos.

Após a fase referida anteriormente, procede-se ao fecho da bateria através da

termossoldadura entre a tampa e o bloco. Com a bateria fechada, procede-se à soldadura dos

coletores do primeiro e último elemento da bateria aos casquilhos da tampa. A fase final destas

duas etapas comporta a aferição da estanquicidade (correntemente, em vez de estanquidade)

da bateria.

A bateria que tenha completado todos os passos anteriores com sucesso está pronta

para ser cheia com eletrólito, o H2SO4. O enchimento é realizado por um sistema a vácuo, onde

são colocados vasos nos orifícios da bateria, forçando o envio do eletrólito para cada jogo.

Após o enchimento, a bateria entra em soaking time até à etapa de carga.

4.6 Carga: ativação ou formação direta

Nesta zona processual, as baterias são carregadas utilizando programas de carga

previamente estabelecidos. Visto existirem dois tipos diferentes de baterias AGM, as

pré-carregadas (designadas PC) e as não formadas (designadas NF), são estas submetidas a

tratamentos diferentes: ativação ou formação direta, respetivamente.

As baterias PC são por norma: baterias expedidas secas (sem o eletrólito); baterias

com condições especiais; baterias difíceis de formar em mesa; ou baterias de gel. São

formadas em tanque, etapa descrita pelas correntes 8 a 10 do diagrama de blocos da Fig. 13.

Na formação em tanque, as placas são: imersas em ácido sulfúrico, provocando a sulfatação

(fase designada Soaking time); submetidas à passagem de corrente elétrica, ocorrendo a

mudança de polaridade das tiradas; lavadas com água, para aumentar o pH e impedindo que o

ácido as corroa; e postas a secar, para posterior corte. As baterias NF não passam por esta

etapa processual, sendo designadas baterias de formação direta, ocorrendo a formação em

mesa. Neste tipo de formação, as baterias são ligadas em série e imersas em água, utilizada

para evitar o aumento de temperatura, mantendo-a entre 45 e 50 ºC.

A formação é o processo através do qual a bateria passa a gerar força eletromotriz.

Neste processo, o óxido de chumbo e os sulfatos básicos de ambas as pastas são convertidos

para matéria ativa: PbO2 para as placas negativas, Eq.s (20) e (21); e Pb esponjoso para as

placas positivas, Eq.s (22) e (23).

2e2HSOHPbOO2HPbSO 42224 (20)

2e2HPbOOHPbO 22 (21)

424 SOHPb2e2HPbSO

(22)

28

42SOHPb2e2HPbO

(23)

Assim, com vista a serem carregadas, as baterias PC são submetidas apenas a

programas de ativação e as NF passam pelos programas de formação, caracterizados por

serem mais morosos e sensíveis, devendo existir um controlo rigoroso da temperatura.

Antes de se proceder à carga, é necessário colocar recipientes retentores de ácido em

cada elemento da bateria, evitando a perda de eletrólito devido a fenómenos de gaseificação, e

também garantir que as baterias distam 2 a 3 cm entre si, de modo a não criar arcos elétricos.

Os programas de carga são caracterizados por apresentarem etapas de carga, pausa e

descarga, de duração e intensidade pré-estabelecidas.

4.7 Acabamento

Após o processo de carga, as baterias ficam em quarentena, fase em que são

armazenadas em módulos durante 5 dias, no mínimo. Seguidamente, através de termo

soldadura ou através de ultrassons, são colocadas placas de selo nas baterias, as quais tapam

as válvulas. Nas baterias que exijam ser seladas por termo soldadura, é necessário verificar

novamente a sua estanquicidade. Posteriormente, as baterias são lavadas, removendo

sujidades e possíveis restos de ácido.

Para serem expedidas, as baterias devem ainda realizar três testes elétricos e serem

aprovadas em testes de performance realizados pelo Laboratório elétrico. Os testes elétricos

incluem: aferir a rigidez dielétrica, HVT (high voltage test); avaliar a tensão em circuito aberto,

OCV (open circuit voltage); e submeter a bateria a uma descarga de corrente elevada, HDRV

(high discharge rate voltage). O primeiro teste é utilizado para a deteção de microfugas entre o

bloco e a tampa através da imposição duma carga elevada (8,5–9 kV), garantido que apenas

os terminais permitem a passagem de corrente. O segundo e terceiro testes são utilizados para

verificar a existência de curto-circuitos, danos mecânicos e baixa capacidade da bateria. Os

testes de performance do Laboratório elétrico incluem a análise das capacidades dum número

variável de baterias, dependendo do tamanho do lote, através da sua descarga completa.

Caso as baterias tenham passado nos testes supracitados, entram na fase final do

processo, onde lhes são colocadas etiquetas de identificação e protetores de corrosão nos

terminais para posterior paletização, última verificação de tensão e expedição.

29

Capítulo 5 — Fundição de armaduras AGM

Como é do conhecimento geral, existe a nível empresarial e industrial uma elevada

competitividade e o mínimo que uma organização pode fazer é trabalhar em prol da sua

sobrevivência. Atualmente, para tal, ir de encontro à melhoria contínua é necessário.

Tendo em conta o supracitado, optou-se por desenvolver o projeto de melhoria

segundo a metodologia Lean Six Sigma. Tal como a grande maioria dos projetos deste tipo,

este comporta as seguintes fases: definir, medir, analisar, melhorar e controlar, com as iniciais

DMAIC, da denominação inglesa.

Ao longo das diversas fases apresenta-se uma descrição detalhada do processo de

fundição e empastamento das armaduras em estudo. São também apresentados dados do

processo e respetivos ajustes feitos; é realizada a comparação entre várias ligas metálicas;

avalia-se a capacidade dos diversos pontos do processo; apresentam-se testes de

empastamento de armaduras a diferentes temperaturas; e contabiliza-se a sucata gerada no

empastamento. Fez-se ainda um MSA de repetibilidade, dois DOE’s e uma regressão, que se

veio a revelar linear.

5.1 Fundamentos da filosofia Lean 6σ

A filosofia Lean 6σ, tal como já referido anteriormente, foca-se sobretudo na melhoria

da qualidade, removendo os defeitos e as suas potenciais causas durante o processo

produtivo. Esta filosofia controla o processo estatisticamente e melhora radicalmente a

eficiência do mesmo, otimizando o capital investido ([17]).

Esta filosofia foca-se nos parâmetros mais relevantes para o cliente e traduz as suas

necessidades através de propriedades mensuráveis, denominadas usualmente propriedades

criticas para a qualidade, CTQs (sigla inglesa para ―Critical to Quality‖). Um indicador CTQ deve

ser identificado, devendo ser definido um sistema de medida através do qual se possam obter

métricas precisas relativamente ao processo.

Através de uma modelação matemática do processo, um dos objetivos desta

metodologia passa por obter conhecimento sobre uma função de transferência que estabeleça

a relação entre as variáveis independentes, as de entrada, e as variáveis dependentes, as de

saída. Assim, quando o processo é modelado através de uma função do tipo Y = f(X1,X2,...Xn),

as variáveis de saída são previstas e deste modo, controladas.

O conceito desta filosofia, pode ser melhor explicado através do conceito matemático

de distribuição normal. Este tipo de distribuição, a mais importante distribuição contínua, é

caracterizada pela média e pelo desvio padrão, representados pelas letras gregas μ e σ,

respetivamente. A distribuição normal apresenta uma densidade de probabilidade dada por

uma curva de Gauss, dada pela Eq. (3). Sabe-se ainda que, quando os valores são

normalmente distribuídos, 68,3% deles recai no intervalo ,95,5% deles no intervalo e

99,7% deles estão no intervalo .

30

2

2

1

2

1

x

exf

(24)

Um processo 6σ apresenta (realmente) ±4,5 desvios padrão entre a média e os limites

de especificação impostos pelo cliente. Em termos percentuais equivale a 99,9997 % de

precisão ou a 3,4 defeitos por milhão de oportunidades (DPMO) para fazer um defeito.

Fig. 15 – Reduzindo a variabilidade num processo genérico através da aplicação da filosofia 6σ ([14]).

Deste modo, uma curva de Gauss mais estreita é representativa dum processo com

menor variação e por isso mais maduro e capaz. Por outro lado, uma curva de mais alargada

(em forma de sino) é representativa dum processo com maior variação e por isso menos

maduro e capaz, tal como exemplificado na Fig. 15. Além disso, o formato desta curva, está

intrinsecamente relacionado com um fator que é bastante pertinente e necessário avaliar antes

de começar qualquer projeto, o nível σ em que se encontra determinado processo. Para melhor

entender o que são os níveis σ, apresenta-se uma tabela sumária, a Tabela 6, onde se

estabelece a relação entre o nível σ, a quantidade de defeitos por milhão de oportunidade, a

taxa de sucesso e insucesso, de acordo com as exigências do cliente ([1]).

Tabela 6 – Níveis de desempenho σ ([14]).

Nível σ DPMO Taxa de

sucesso (%) Taxa de

insucesso (%)

1 690000 30,85 69,15

2 308537 69,15 30,85

3 66807 93,32 6,68

4 6210 99,38 0,62

5 233 99,977 0,023

6 3,4 99,99966 0,00034

Através da análise da Tabela 6 é possível constatar que um processo que produza

690000 peças defeituosas por milhão de oportunidade apresenta um nível sigma 1. Por

oposição, um processo que apresente apenas 3,4 unidades defeituosas por milhão de

oportunidade apresenta um nível σ de 6. Conclui-se então que o nível de qualidade 6 reflete a

31

capacidade de um processo cumprir as especificações. Consequentemente, apresentar um

nível sigma elevado traduz-se num processo de variabilidade baixa.

Quando o nível σ é incrementado, existem menos DPMO, poupam-se recursos

(materiais e humanos) e reduz-se o tempo de produção, mantendo sempre a qualidade do

produto entregue ao cliente. Na generalidade, a grande maioria dos processos industriais recai

na gama de desempenho 3–5, ou seja, com rendimentos compreendidos entre 93,32 e

99,977 %, porém existe uma busca incessante da melhoria. Pode parecer extremista, porém,

se traduzirmos este conceito com exemplos práticos pode-se observar que a busca pelo

utópico é bastante plausível através dos dados compilados na Tabela 7.

Tabela 7 - Comparação entre dois níveis de desempenho ([14]).

Cenário Rendimento

99,99% - Nível σ:4-5 99,9997% - Nível σ:6

Falhas de bypass coronário por ano

5400 18

Descolagens voos abortados anualmente

31536 107

Acidentes de comboio por ano

180 <1

Vistos concedidos a criminosos por ano

50 Nenhum

A nível industrial, empresas cujas práticas não passam pela filosofia 6σ, gastam em

média 25 a 40% dos seus lucros para solucionar problemas relacionados com o processo, os

chamados, custos operacionais. Estes custos também são frequentemente denominados,

custos da qualidade, ou melhor dizendo, custos da não qualidade. Assim, estima-se que

empresas que operem num nível σ igual a 6 gastem em custos operacionais menos de 5% dos

lucros obtidos, tal como é possível observar na Fig. 16.

Fig. 16 - Custo da não qualidade em função do nível σ ([14]).

Uma simples razão pela qual os custos operacionais estão diretamente relacionados

aos níveis sigma: os níveis de sigma são uma medida de taxas de erro e custa dinheiro corrigir

erros.

32

5.2 6σ — Definir

Na fase do projeto Definir o foco passa por clarificar o estado atual do processo,

ilustrando a necessidade do projeto e o potencial benefício. Para tal efeito é comum: definir a

meta a ser atingida; definir a equipa do projeto e suas responsabilidades; realizar um

cronograma preliminar; identificar o principal processo envolvido no projeto; avaliar o histórico

do problema; estimar os custos de não qualidade associados aos novos ou já existentes

processos; avaliar o retorno económico; e verificar o impacto nos clientes e na empresa ([14]).

No presente estudo de caso serão abordados os processos associados a um produto

específico —armadura/tirada XP2.6+. A armadura é fabricada na primeira etapa do processo

produtivo de uma bateria AGM, a fundição, sendo a sua produção feita de modo semicontínuo.

Após empastada esta passa a ser denominada tirada.

O projeto de que resulta esta Dissertação foi proposto pelo Dr. Nuno Alexandre,

responsável pelo departamento de desenvolvimento de produto da Exide Technologies, Lda.

,

que sentiu necessidade de melhorar alguns parâmetros dos processos associados ao fabrico

deste produto. Assim sendo, constituiu-se uma equipa multidisciplinar (todos colaboradores da

empresa) para solucionar este problema que afeta diversas áreas da empresa, tais como: a

produção; o processo; o desenvolvimento de produto; e a montagem.

Ao limitar o problema que motivou este projeto, prevê-se que se possam cumprir os

tempos de produção propostos com maior facilidade e ainda poupar cerca de 13 mil euros

anuais (hard savings).

Para melhor entender, o projeto a ser desenvolvido, apresentam-se seguidamente

algumas ferramentas que são comuns utilizar na definição de projetos, sendo as principais: o

diagrama Suppliers, Inputs, Process, Outputs and Customers (SIPOC); a ferramenta Voice of

the Costumer (VOC); a ferramenta árvore Critical-To-Quality (CTQ); e a ficha do projeto (project

charter, em inglês).

Seguidamente, apresenta-se o diagrama SIPOC deste processo sob a forma de tabela,

a Tabela 8.

Tabela 8 - Suppliers, Inputs, Process, Outputs and Customers.

Suppliers Input Process Output Customers

Máquina

para fundir

armaduras

Armaduras

Positivas

Empastamento

de armaduras

Tiradas positivas

empastadas

Operadores que

reservam as

tiradas

Liga de

Pb-Ca-Sn

Operadores que

empastam as

armaduras

Responsável

planeamento de

produção

33

Seguidamente, apresenta-se a ferramenta VoC, Fig. 17, onde as necessidades e

expectativas do cliente foram estabelecidas, servindo de base para delinear a meta do projeto.

Porém, neste caso, é necessário referir quem são os reais ―clientes‖. Tendo em conta que o

projeto é de melhoria, que foi pedido por um departamento da empresa em estudo e que o

cliente, comprador de baterias AGM, não terá perceção de tais melhorias (a menos que

execute testes bastante específicos), pode-se afirmar que os reais clientes serão os

operadores que reservam as tiradas em grades e os responsáveis pelo planeamento da

produção. Através desta ferramenta é possível identificar e corrigir, o que estes clientes

transmitem.

Fig. 17 - Voice of the Customer.

Através do VoC podemos observar que os principais problemas (para os operadores e

para o responsável pelo planeamento da produção) estão relacionados com a capacidade

produtiva, pois os defeitos encontrados atrasam o processo. A nível mais global, ressalta-se

que tais defeitos, têm repercussões monetárias, aumentando os custos de produção.

Partindo dos requisitos de melhoria percecionados pelo cliente, é pertinente elaborar a

árvore CTQ, Fig. 18. As métricas apresentadas na figura citada anteriormente devem ser

acompanhadas ao longo do projeto, visando melhorá-las.

Fig. 18 - Critical-To-Quality Tree.

VoC

Característica

Defeitos obrigam a um ajustamento do planeamento de produção e um gasto de tempo

adicional.

Capacidade produtiva

Devido à elevada produção, mesmo uma reduzida

percentagem de defeitos representa um elevado prejuízo

de capital.

Custos de produção

Espessura da tirada

Peso da tirada

Dureza da tirada

Humidade da tirada

Tempo de Produção

Volume de Produção

Capacidade Produtiva

Custos de Produção

Produzir tiradas XP2.6+ sem defeito

Objetivo

Características

Métricas

34

Com as caraterísticas da qualidade definidas, foi elaborada a Ficha do Projeto, Fig. 19.

Nome do Projeto:

Placas empastadas – Eliminar placas XP2.6+ macias no final do processo de empastamento

Data para término do projeto: Setembro de 2016

Missão do projeto:

Melhoria global do parâmetro Dureza associado ao fabrico de placas XP 2.6+, visando a

melhoria da eficácia e eficiência dos processos praticados, através da implementação de

ferramentas e metodologias Lean Six Sigma.

Âmbito do projeto:

O projeto envolverá os processos de fundição e empastamento. Estudo de vários parâmetros

que influenciam o processo de endurecimento das armaduras/placas em estudo.

Descrição do problema:

Verificou-se que as placas XP 2.6+ permaneciam muito macias mesmo após o processo de

endurecimento estabelecido pela especificação (2 dias). Estas durante o processo de

empilhamento não sustentam o seu próprio peso, caindo para o chão, originando sucata.

Histórico do problema:

26% dos defeitos encontrados são devidos a placas de todos os tipos positivas caídas no final

do processo de empastamento. Dentro destes, 44% estão relacionados à placa XP2.6+.

Restrições e suposições:

As 3 máquinas de fundição são igualmente capazes; O caudal de refrigeração de cada uma

das máquinas de fundição é igual; todos os operadores são igualmente competentes;

Equipa do projeto:

Project Leader:

Nuno Alexandre (Desenv. de Produto)

Equipa:

João Martins (Desenv. de Produto)

Paulo Albuquerque (Produção)

João Passadinhas

Tomé Vaz (Processo)

Cronograma preliminar:

Definir — abril Medir — maio Analisar — junho Melhorar — julho

Controlar — agosto

Fig. 19 - Ficha do Projeto (Project Charter).

35

5.2.1 Processo

Tal como visto anteriormente, o processo produtivo de uma bateria inicia-se pela

produção das armaduras, as quais são produzidas na fundição. Nesta etapa do processo

considera-se que não é gerada sucata pois caso seja identificada alguma anomalia, a

armadura regressa ao cadinho, onde é novamente fundida, reiniciando o processo de

produção. Na fundição o problema prende-se apenas com as paragens, que frequentemente

são necessárias, e com o tempo gasto a produzir armaduras defeituosas, que em caso

contrário geraria uma maior produção por unidade de tempo. Assim, o problema que motivou à

realização desta dissertação é visível apenas na fase seguinte do processo, o empastamento.

Assim, e tendo em conta que já foi apresentado o diagrama de blocos do processo,

apresenta-se um fluxograma com enfoque na primeira e segunda etapas do mesmo. Além

disso, no fluxograma incluem-se as inspeções realizadas nestas etapas bem como duas

secções complementares, o armazém e a sucata. Na primeira evidencia-se que tratamento

térmicos as armaduras sofrem atualmente e na segunda evidencia-se que tipo de tratamento

se dá à sucata gerada.

Fig. 20 - Fluxograma com enfoque na fundição e empastamento.

36

No fluxograma, destaca-se ainda a presença de um contorno vermelho e outro azul, no

armazém e sucata, respetivamente. Estes destaques têm cores diferentes pois têm significados

diferentes. Assim, a atividade a vermelho é um passo introduzido recentemente para combater

o problema de geração de sucata da atividade demarcada a azul. A introdução da estufa é

analisada mais adiante neste capítulo.

5.2.2 Produto estudado e defeito observado

Visto existirem várias dezenas de armaduras diferentes na Exide Technologies, Lda.

,

distribuídas por mais de 10 gamas de baterias é pertinente enquadrar o produto em estudo —

somente armaduras positivas XP2.6+— visto este apresentar uma grande expressão na

totalidade de armaduras produzidas da Exide Technologies, Lda.

. Optou-se por explanar tal

facto através de gráficos de barras com frequência cumulativa, partindo do geral para o

particular ([6]).

Todos os dados apresentados são referentes ao ano fiscal de 2016. Assim, tal como a

grande maioria das empresas sediadas nos EUA, esta inicia o seu ano fiscal em abril, ou seja,

os dados foram recolhidos entre abril de 2015 e março de 2016.

Fig. 21 - Distribuição tecnológica: Exide - dados

referentes a abril de 2015 até março de 2016 ([6]).

Fig. 22 - Tipos de baterias AGM produzidas: Exide

dados referentes a abril de 2015 até março de 2016 ([6]).

Tal como é visível pelo gráfico da Fig. 21 apresentado acima, de entre os 4 tipos de

baterias produzidas na Exide Technologies, Lda.

, o tipo que apresenta um volume de produção

mais elevado é o AGM. Este tipo de bateria apresenta uma produção aproximadamente 5

vezes superior ao segundo tipo com maior volume. Seguidamente, observando a Fig. 22 e

tendo em conta que existem várias gamas AGM, é possível observar que cerca de 75% são

baterias AGM-MC, ou seja, AGM de média capacidade.

Seguidamente apresenta-se o gráfico referente ao volume de baterias produzidas na

Exide Technologies, Lda.

. Esta grandeza é diretamente proporcional ao número de placas

produzidas cuja constante de proporcionalidade é o número de placas por bateria. Neste é

possível observar que 3 os tipos de baterias mais produzidas na unidade fabril incluem placas

XP2.6+, com número semelhante de placas negativas –placa UV1.2

-— porém o estudo não

recai sobre estas.

37

Fig. 23 - Distribuição de volume de armaduras AGM positivas- dados referentes a abril de 2015 até março

de 2016 ([6]).

A Exide Technologies, Lda.

decidiu não focar o estudo em armaduras negativas,

nomeadamente UV1.2-, pois através das ferramentas de controlo estatístico disponíveis,

particularmente o InfinityQS®, constatou-se que as placas positivas conduzem a valores de

sucata mais elevados. Tal facto é explicado, em parte, pois as tecnologias de fundição e

empastamento são diferentes, sendo mais de 60 % das negativas empastadas na linha n.º1 –

Linha Conpast– cujas armaduras foram produzidas na Linha Concast e as positivas

empastadas na linha n.º 3 —Linha Cotton Belt— cujas armaduras foram produzidas por

Gravidade. Sendo as tecnologias utilizadas na produção das placas negativas mais recente é

natural que os valores de sucata atingidos em percentagem sejam inferiores.

Pelas razões enumeradas acima, apresenta-se seguidamente apenas o gráfico relativo

à distribuição do volume de placas positivas AGM produzidas.

Fig. 24 - Volume de placas positivas AGM produzidas - dados referentes a abril de 2015 até março de

2016 ([6]).

Tal como seria expectável, o gráfico da Fig. 24 evidencia que, de facto existe uma

armadura com uma produção substancialmente maior que as demais, a XP2,6+. A sua

produção é de aproximadamente 15 milhões, representando 52% do volume total de placas

AGM. Toda esta expressão em volume deve-se ao facto de toda a gama H, comercialmente

disponível, utilizar este tipo de armaduras. Esta é ainda a que apresenta maior percentagem de

sucata, o que se torna muito prejudicial devido ao elevado volume de produção, sendo que

apenas uma pequena percentagem de sucata se traduz em perdas monetárias avultadas para

a Exide Technologies, Lda.

.

38

Além das razões acima referidas, a empresa solicitou o estudo em causa pois, após

análise mais detalhada, pôde observar-se que o aumento de sucata na zona do empastamento

tinha uma causa bastante especifica e nunca antes observada na unidade fabril. Dentre os

possíveis defeitos encontrados nas placas tem-se: tiradas caídas à saída do forno;

deformações; encravadas na tremonha; autocontrolo; falta de pasta/pellets; e tiradas

agarradas. Dos indicados, verificou-se que o primeiro defeito era o causador do aumento

substancial de sucata sobretudo entre janeiro e março de 2016. Os demais problemas,

associados sobretudo com afinações na Linha Cottonbelt, ocorrem com maior ou menor

frequência, no entanto não se verificou um aumento percentual destes no mesmo período e,

tendo em conta que a percentagem de DPMO é muito reduzida, é mais difícil efetuar correções

de modo a ter melhorias no rendimento e respetivo nível .

O defeito tiradas caídas à saída do forno surge, pois estas ao saírem do forno, onde

lhes é retirada parte da humidade superficial, rodam 90 graus passando da posição horizontal

para a vertical —etapa realizada por um sistema de rolos e correntes metálicas. Ao rodarem,

estas têm como ponto de apoio as patilhas e caso a armadura que foi alimentada esteja

demasiado macia, estas têm a tendência a formar um arco em relação em relação ao ponto de

apoio e, por conseguinte, caem ao chão gerando material defeituoso, ou seja, sucata.

Seguidamente apresenta-se uma imagem que aborda este facto, na qual foi retirada uma tirada

da linha imediatamente a seguir ao forno, não a deixando cair ao chão.

Fig. 25 - Tirada XP2.6+ empastada (demasiado macia). (Data: janeiro 2016)

Na fotografia, de janeiro, pode observar-se uma tirada, tão macia que apresenta

formato em U, estando completamente dobrada, impossibilitando o armazenamento e respetiva

montagem das futuras placas na bateria.

Este tipo de armadura é sempre empastada na linha número 3, na segunda etapa do

processo onde ocorre o empastamento somente de armaduras com pasta positiva, gerando

tiradas. As tiradas na generalidade podem ser de painel simples, duplo ou múltiplo e após a

etapa de corte estas geram uma, duas ou múltiplas placas.

39

Fig. 26 - Lingotes, armaduras, tiradas e placas de chumbo. a) Lingote b) armadura de painel duplo c)

tirada dupla empastada d) duas placas não formadas e) duas placas formadas f) armadura de painel simples g) tirada simples empastada h) uma placa não formada i) uma placa formada.

A armadura XP2.6+ insere-se no grupo a) a e), ou seja, é uma armadura de painel

duplo, originando duas placas formadas no final do processo produtivo.

Outra característica desta armadura é que a mesma é constituída por uma liga de Pb-

Ca-Sn, denominada Ca6, cuja composição se apresenta na Tabela 4.

Tabela 9 - Composição de algumas ligas metálicas utilizadas em armaduras AGM ([6]).

Elemento

Tipo de Liga

Armaduras Positivas Armaduras Negativas

Ca6 Ca4 Ca3 Ca7

Estanho [%] 1,35-1,45 0,9-1,1 0,20-0,26 0,15-0,20

Cálcio [%] 0,060-0,075 0,065-0,075 0,12-0,14 0,08-0,1

Alumínio [%] 0,0075-0,0200 0,010-0,015 0,010-0,015 0,008-0,015

Chumbo [%] Restante Restante Restante Restante

A tabela apresentada anteriormente, onde se visualiza a composição da liga em

estudo, contém ainda a composição de outra liga de polaridade positiva e duas de polaridade

negativa, de modo a destacar outra razão para apenas focar o estudo numa só armadura.

A liga de polaridade positiva, que inicialmente serviu de comparação, liga Ca4, é

igualmente utilizada no fabrico de armaduras positivas e gera uma percentagem de sucata

menor, no entanto, estas são produzidas em equipamentos de fundição diferentes,

impossibilitando a comparação.

As armaduras produzidas a partir de ligas de polaridade negativa apresentam uma

composição de cálcio cerca de duas vezes mais elevada, apresentando maior dureza, fazendo-

se sentir o efeito deste elemento, impossibilitando igualmente a comparação.

Acrescentar ainda que, também não se efetuou qualquer comparação com outras

armaduras Ca6, visto a armadura em estudo ser a única que utiliza tal tipo de liga metálica.

40

Em suma, por todas as razões enumeradas, o foco passa apenas por estudar a

armadura XP2.6+ com vista a obter tiradas com dureza mais elevada, evitando o defeito

―tiradas caídas à saída do forno‖, reduzindo a percentagem de DPMO, aumentando-se o

rendimento e, por conseguinte, o nível .

5.2.3 Parâmetros controlados

Nas duas etapas do processo, fundição e empastamento, são controlados diversos

parâmetros sendo que na fundição são avaliados e registados o cálcio, estanho, peso e

espessura da armadura e ainda são controladas as temperaturas do cadinho, colher, molde

superior e inferior. Ressalva-se que as temperaturas apenas são ajustadas e não são

registadas no InfinityQS®.

No empastamento são avaliados o peso de pasta seca, espessura e humidade da

tirada. Acautela-se o facto de ser feito controlo à pasta produzida, avaliando-se a sua

densidade e penetração e o facto de à humidade da tirada estar associado, o controlo da

velocidade do tapete, interior ao forno, e da temperatura do forno (parâmetros apenas

ajustados e não registados).

Dentre os parâmetros que são controlados e registados, salienta-se o facto do peso e

espessura, com e sem pasta, estarem relacionados com o desenho da armadura ou da tirada,

o cálcio e estanho estarem intrinsecamente relacionados com a dureza da liga e respetiva

armadura e a humidade das tiradas é avaliada e mantida constante para evitar que as mesmas

fiquem coladas entre si, impossibilitando o seu uso. Além disso, é necessário ter em conta que

o processo se desenvolve para o sazonamento —processo que demora em média 40h— e é

necessário garantir tais condições de modo que os programas de sazonamento empregues

surtam o desejado efeito, ou seja, que consigam diminuir a humidade residual para valores

inferiores a 1,5%.

Na fundição o processo de controlo é mais simples que no empastamento. No início de

cada turno controlam-se as temperaturas mencionadas, de acordo com a Tabela 10, e avaliam-

se e registam-se dois parâmetros: peso e espessura de cada armadura. Além disso, estes

também são verificados pelos operadores, no decorrer do turno, horariamente.

Tabela 10 - Temperaturas utilizadas na produção de armaduras ([6]).

Tipo de liga Ca2 Ca4 Ca8 Ca6 Ca3

Polaridade Positivo Positivo Positivo Positivo Negativo

Tcadinho [⁰C] 510 510 510 510 510

Tconduta [⁰C] 540 540 520 540 540

Tcolher [⁰C] 540 540 500 540 540

Trefrigeração [⁰C] 40-80 40-80 40-80 40-80 40-80

Tmolde superior [⁰C] 160-240 160-220 170-210 160-220 160-220

Tmolde inferior [⁰C] 160-240 160-220 170-210 160-220 160-220

41

Simultaneamente, outro operador, por norma superior hierarquicamente, avalia e

regista os outros dois parâmetros: o cálcio e o estanho. Caso esteja tudo dentro de

especificação a produção continua, porém, em caso contrário fazem-se as correções

necessárias. Por norma, dentre estes dois, o parâmetro que apresenta maior variância é o teor

de cálcio. Este elemento tem tendência a queimar no cadinho, mesmo a liga contendo alumínio

(tal como demonstrado na Tabela 4), que atua como agente protetor, retardando o

abaixamento do teor de cálcio. Assim, durante o intervalo de tempo entre medições, os teores

de cálcio e estanhos diminuem continuamente, repetindo-se a avaliação destes dois

parâmetros a cada quatro horas. Tendo em conta que os turnos são de oito horas, estas

avaliações coincidem, quase sempre, com os inícios de turno e com regresso do descanso

para refeição. Ressalva-se que, podem ser necessárias efetuar mais avaliações e registos

devido a comportamentos anómalos durante o decorrer do processo, como por exemplo,

produção excessiva de armaduras fora de esquadria.

Fig. 27 - Posto de qualidade da fundição.

Fig. 28 - Espectrofotómetro utilizado na fundição.

(Dimensões: 50 cm x 60 cm x 60 cm)

No empastamento, onde se geram as tiradas, o procedimento de controlo estatístico é,

e deve ser, mais complexo do que a fundição.

O empastamento é uma secção caracterizada por um elevado ritmo de produção e

também por uma variância processual apreciável, tendo em conta que existem várias reações

químicas envolvidas. Diferentemente da fundição, todos os parâmetros variam

substancialmente no tempo, nomeadamente o peso de pasta seca, humidade da tirada e ainda

a própria pasta, cujas propriedades variam de ciclo em ciclo. Assim, mesmo o registo sendo

horário ou por ciclo de pasta produzida, tendo em conta que se controlam mais variáveis são

dedicados funcionários responsáveis por registar e manter as condições processuais ao longo

do tempo. Caso se verifique alguma anomalia, fazem-se as alterações necessárias e são

avaliadas de novo as condições de funcionamento da linha. Acautela-se o facto do

procedimento de controlo ser comum às três linhas e às três amassadoras.

42

5.2.4 Montagem experimental, materiais utilizados e procedimento

Tendo em conta que o que se pretende melhorar neste projeto é a dureza das tiradas,

visto as mesmas se encontrarem muito macias no final do processo de empastamento,

realizou-se um estudo de dureza incidente na liga Ca6. Para tal efeito, utilizou-se o durómetro,

disponibilizado pela fábrica de Büdingen (designada pela sigla BD), modelo Nexus 4501, da

Innovatest, de dimensões 75 cm de altura por 30 cm de largura e 50 cm de comprimento,

sendo que o mesmo chegou à CH em meados de maio. Este equipamento, é apenas calibrado

pelo fornecedor durante a sua construção, pelo que não foi necessário realizar nenhum ajuste

no equipamento.

O equipamento fornecido avalia a dureza de Brinell, sendo os resultados expressos sob

a forma de HBW 2,5/6,25/30, onde W representa o material de que é feito o indentador, ou

seja, de tungsténio e os 3 números seguintes representam o diâmetro do indentador (em mm),

a carga exercida (em kg) e o tempo de penetração (em s), respetivamente. Utilizou-se esta

unidade de medida, pois esta respeita os procedimentos descritos na ISO 6506 para ensaios

realizados com ligas de chumbo ([4] e [2]).

Fig. 29 - Durómetro Nexus 4501 (Innovatest). Fig. 30 - a) Aferição do diâmetro vertical (exemplo)

Para a realização do teste, denominado teste de macro dureza em ligas de chumbo, é

necessário que a superfície em teste se encontre polida, pelo que foi recomendada a utilização

de um micrótomo, que a CH não dispõe. Para colmatar tal facto, todas as patilhas utilizadas —

objeto que serviu de amostra— foram polidas manualmente com uma lixa de grão fino.

Para a obtenção da dureza da amostra, visto que ir-se-ão medir diâmetros de

penetração, é necessário fazer o ajuste do zero. Seguidamente, coloca-se a amostra sobre a

platina, de modo a que a amostra fique colocada perpendicularmente ao indentador. Foca-se a

amostra utilizando as objetivas disponíveis (5x, 10x e 20x) e os parafusos de ajuste fino. Após

a realização destes 3 passos, inicia-se o teste através da tecla Start, presente no painel do

durómetro, e aguarda-se 30 segundos (o tempo de indentação). Por fim, mede-se o diâmetro

impresso sobre a amostra duas vezes, uma na vertical e outra na horizontal, Fig. 30. Após a

medição dos diâmetros, o aparelho calcula a média dos mesmos e apresenta em seguida o

resultado da dureza segundo a Eq. (25), onde F representa a carga (em N), D representa o

diâmetro do indentador (em mm) e d representa o diâmetro de indentação (em mm).

2 2

0,102 2 FHBW

D D D d

(25)

43

5.3 6σ — Medir

A segunda fase do ciclo DMAIC consiste fundamentalmente em estabelecer métricas

de desempenho atuais e conduzir análises de sistemas de medição, através da recolha de

dados. Para tal efeito é comum: decidir entre recolher novos dados ou utilizar os já existentes;

identificar a forma de estratificação para o problema; planear a recolha de dados; planear e

testar os sistemas de medição; recolher dados; analisar o impacto das várias partes do

problema e identificar os problemas prioritários; estudar as variações dos problemas prioritários

identificados; estabelecer metas de resolução de cada problema prioritário; e realizar a

medição da atual capacidade e performance dos processos em estudo ([14]).

Na fase Medir, para além da quantificação das métricas relevantes para o projeto, já

anteriormente definidas, é importante a exploração do fluxo produtivo e a descrição do mesmo.

Nesse sentido, a ferramenta VSM (sigla inglesa para Value Stream Mapping), associada ao

Lean, constitui uma ferramenta bastante completa para atingir esses objetivos, visto que:

possibilita obter uma visão global do fluxo produtivo; mapeia o fluxo de material e informações;

e quantifica o tempo de execução associado a cada etapa processual.

De modo a fazer uma análise coerente e completa, os dados encontram-se expostos

da seguinte forma:

I. Value Stream Mapping: apresenta-se o VSM simplificado do processo, explicando

detalhadamente os parâmetros que podem ser objeto de estudo;

II. Capacidade e Performance do Processo: apresentam-se dados recolhidos através

do software InfinityQS® de alguns dos parâmetros em estudo;

III. Estudo preliminar de Dureza: apresenta-se uma estrutura desenhada na fábrica

para medir a flexão das armaduras XP2.6+;

IV. Validação do sistema de medição: afere-se a aptidão do sistema de medição para

determinar a dureza das placas XP2.6+ através de um estudo M.S.A. (sigla inglesa

para Measure System Analysis), nomeadamente, por teste de Repetibilidade e

Reprodutibilidade (R&R);

V. Dados recolhidos: apresentam-se dados medidos nas duas etapas do processo,

porém, com incidência na fundição, visto a mesma ser a potencial origem do

problema em estudo.

5.3.1 VSM e fluxo produtivo

O VSM, tal como dito anteriormente mapeia o fluxo de material e de informações e

ainda o tempo de execução associado a cada etapa processual. Assim, observando como o

valor flui pela cadeia inteira pode-se propor a aplicação de ferramentas Lean no local onde

estas terão maior impacto. Deste modo, troca-se, o ótimo local pelo ótimo global, permitindo

que os clientes tenham o que quiserem, quando necessitarem, sem atrasos e sem

desperdícios.

Ressalta-se que, o VSM não é um método para a melhoria do processo, mas sim um

método para ajudar a assegurar que os esforços de melhoria do processo: estão ajustados de

44

processo para processo, desenvolvendo um fluxo de valor fluente; são compatíveis com as

metas da organização; satisfazem as exigências dos clientes externos.

Para utilizar esta ferramenta —o VSM— corretamente é necessário: acompanhar a

trajetória de produção de um produto desde o início até o final, fazendo uma representação

visual do fluxo de material e de informação; identificar os desperdícios, desenhando (se

possível) um mapa de como o valor deveria fluir; mapear todas as ações (que agreguem ou

não valor) necessárias para levar o valor até ao cliente.

O VSM atua sobre todos os 8 desperdícios Lean, ou seja, nos stocks, tempos de

espera, movimentação, defeitos, transporte, sobreprodução, sobreprocessamento e talento.

Mais concretamente, no desperdício defeitos, este permite-nos identificar a falta de: padrões de

trabalho; formação adequada; Poka-yokes; e métricas.

É comum associar ao VSM o layout da fábrica, pois este também ajuda a melhor

compreender o fluxo produtivo do produto. Porém, optou-se por não o colocar devido a

algumas razões: o processo produtivo de uma bateria AGM foi detalhadamente descrito ao

longo de todo o capítulo 4; a unidade fabril encontra-se segmentada e a produção avança

retilineamente desde a fundição de armaduras até à expedição da bateria finalizada; o

desperdício em estudo não inclui o tempo de espera, o transporte, a movimentação ou talento,

sendo que o layout é mais útil a identificar estes 4 desperdícios Lean; o produto em estudo é

um produto intermediário, a armadura XP2.6+, em vez da bateria AGM, tornando-se

redundante apresentar o layout completo da unidade fabril; o fluxograma detalhado que

engloba os dois processos em estudo, a fundição e empastamento, foi apresentado no

subcapítulo 5.2, sendo o mesmo uma ferramenta que nos permite analisar suficientemente

bem a zona processual em estudo.

As razões supracitadas para a não colocação do layout vão de encontro às razões que

motivaram a construção dum VSM simplificado em vez dum VSM integral. A estas razões

acrescem outras, sendo estas: o processo é muito grande e a área de atuação desta

Dissertação é apenas a fundição e empastamento, tornando-se impossível obter métricas

referentes a outras zonas processuais, visto que não foram alvo de estudo; um VSM muito

detalhado pode ser bastante vantajoso, porém, pode revelar tantos potenciais de melhoria em

tantos lugares, que é difícil saber o que precisa de ser feito; o produto expedido, a bateria

AGM, sê-lo-á apenas com componentes não defeituosos, sendo que o cliente final não notará

qualquer variação de qualidade nos produtos expedidos; o cliente alvo deste VSM é o

empastamento, que pretende receber armaduras passíveis de serem utilizadas sem gerar

sucata, e não um cliente final, daí não fazer sentido elaborar um VSM integral.

Seguidamente, apresenta-se na Fig. 31, o VSM simplificado do processo produtivo de

uma bateria AGM, com enfoque somente na primeira e segunda etapas do processo, a

fundição e empastamento, respetivamente.

45

Fig. 31 - VSM simplificado para o processo produtivo de uma bateria AGM.

A Fig. 31 usualmente divide-se em 3 zonas não demarcadas, a zona superior e central,

onde ocorrem fluxos de informação e de material, respetivamente, e a zona inferior onde está

incluída a escada de tempo para entrega de produto. Este diagrama usualmente, compreende

na parte superior, apenas 3 intervenientes, os fornecedores, o controlo de produção e o cliente,

tal como apresentado na figura citada. A zona central compreende cada etapa do processo e

respetivas métricas. Finalmente, a zona inferior comporta a escada de tempo para entrega de

produto, onde usualmente se calcula em percentagem o tempo total para a entrega do produto

e o tempo gasto utilmente, usualmente denominados pelas siglas inglesas LT (Lead Time) e

VAT (Value Added Time), respetivamente. É nestas duas últimas zonas, que ocorreram as

simplificações devido às limitações citadas anteriormente, sendo que não se apresentam todos

os blocos referentes ao processo nem se calcularam o LT ou o VAT. O não cálculo do LT e do

VAT é explicado devido ao facto de existir omissão de etapas processuais, impossibilitando

que a escada do tempo total para a entrega do produto seja completada.

Ainda na Fig. 31 é possível observar alguma simbologia e métricas que são específicas

do VSM. As setas em ziguezague representam o fluxo de informação eletrónica que ocorre

entre o controlo de produção e os fornecedores e clientes, as setas retilíneas representam o

fluxo de informação manual que ocorre entre a produção e as demais zonas processuais e as

setas mais grossas, representam o movimento do produto ao longo das diversas etapas

processuais. Em relação aos blocos processuais também existe simbologia própria: o símbolo

Controlo de Produção

Fornecedor Cliente

Fundição

Empastamento Rest. Processo

OPS = 2

CT ≅ 20 s

UP ≅ 83%

Y = 99,80%

CO = ---

OPS = 1

CT = 4,6 s

UP ≅ 80%

Y = 100 %

CO = 45 min

Produção

4,6 s 20 s

2 d 19 d

46

circular indica que determinada etapa processual é realizada por operadores (não sendo

totalmente automatizada); o símbolo quadrado-circulo-triângulo é indicativo da aplicação da

filosofia FIFO (sigla inglesa para First In First Out); o símbolo balão de raios denota que

determinada etapa processual irá sofrer uma intervenção com vista a melhoria; e o símbolo

triangular com a letra I no interior é indicativo da existência de stocks de reserva entre etapas

processuais. Ainda na etapa central do processo, onde são quantificadas as métricas do

processo, é possível observar algumas siglas inglesas nunca antes utilizadas, nomeadamente:

OPS, correspondente ao número de operadores em cada etapa processual; CT,

correspondente ao tempo necessário para produzir uma unidade de produto; CO,

correspondente ao tempo até que exista troca de produto ou interrupção; Y, correspondente ao

rendimento de cada etapa processual; e UP, correspondente ao tempo efetivo de

funcionamento do equipamento capaz de produzir uma unidade de produto.

Assim, na fundição existe apenas 1 operador, que opera 3 máquinas de fundição ao

mesmo tempo. Estas máquinas produzem 13 armaduras por minuto, ou 1 armadura em 4,6s,

considerando-se que existem paragens periódicas de 5 minutos de 45 em 45 minutos para

aplicar a tinta desmoldante, de modo a garantir a qualidade do produto final. O tempo efetivo

de funcionamento é obtido após retirar as pausas para refeição e para aplicação de

desmoldante ao horário laboral, sendo este valor de 80%. Além disso, tal como já referido, está

secção da unidade fabril não produz sucata, pois todo o material defeituoso volta para o

cadinho, daí o rendimento de 100%.

No empastamento, o processo é semelhante ao da fundição, contudo a linha, a linha

número 3, é operada por 2 operadores. Estas máquinas têm um ritmo produtivo muito mais

elevado e cada tirada demora cerca de 20s a percorrer toda a linha de empastamento. Nesta

secção do processo produtivo apenas se efetuam paragens quando é necessário trocar a

armadura a fabricar, daí não se ter considerado o valor de CO. Além disso, e tendo em conta

que as pausas para refeição são iguais e que há menos paragens, é de esperar um UP

superior, sendo o mesmo de 83%. O rendimento, é bastante próximo de 100% nesta secção, é

de 99,8%, porém, devido aos elevados volumes de produção é necessário melhorar, para

minimizar o dispêndio de recursos.

5.3.2 Capacidade e Performance do Processo

Para abordar a capacidade e performance do processo é necessário clarificar a

diferença entre ambos os indicadores que são bastante semelhantes. Assim, muito

sucintamente, os índices de capacidade informam como o processo poderá agir no futuro, já os

índices de performance informam como o processo agiu no passado ou no momento. Os

termos capacidade e performance do processo estão associados ao cumprimento das

especificações, incluindo diversos fatores, tais como: influência dos operadores, condições

ambientais não controladas e variabilidade introduzida pela produção. O cálculo destes índices

é muito semelhante, salvo o que diz respeito ao desvio-padrão utilizado. Ressalva-se que para

que a utilização destes índices seja possível é necessário considerar que o processo segue

uma distribuição normal ([11]).

47

Nesta etapa do ciclo DMAIC optou-se por avaliar a capacidade e performance de 4

parâmetros, por serem os que estão registados no software de controlo estatístico, o

InfinityQS®, sendo estes: a espessura da armadura; o peso da armadura; o peso de pasta

seca; e espessura da tirada. Os dois primeiros parâmetros listados anteriormente são avaliados

na fundição e os dois últimos na etapa seguinte, o empastamento.

Usualmente para fazer a avaliação de desempenho duma determinada etapa

processual utilizam-se 4 índices bastante conhecidos que comparam a dispersão e a

centragem do processo consoante as especificações, sendo estes: o Cp; o Cpk; o Pp; e o Ppk.

O índice Cp, denominado índice de capacidade potencial do processo, relaciona a

variabilidade permitida ao processo (especificada no projeto) com a variabilidade natural do

mesmo. Por norma, a grande maioria dos autores considera que caso um processo apresente

um Cp > 1 e quanto maior for o seu valor, menor será a probabilidade do processo não cumprir

a especificação, desde que a média esteja centrada no valor nominal. Contudo, um processo

com uma distribuição estreita, isto é, Cp elevado, pode não estar centrado em relação à

especificação. Por outro lado, caso o Cp seja pequeno, a variação do processo é superior à

tolerância de especificação, sendo assim incapaz de produzir com qualidade. Caso a

característica de qualidade em estudo tenha distribuição bilateral, o índice Cp é calculado

através da Eq. (26).

6

LIELSEC p

(26)

Na Eq.(26) o LSE representa o limite superior de especificação, o LIE o limite inferior

de especificação e σ o desvio-padrão do processo. O limite inferior de especificação (LIE) do

processo é o valor mínimo permitido para o produto ou serviço e o limite superior de

especificação (LSE) do processo, por oposição, é o valor máximo permitido para o produto ou

serviço. Estes limites não indicam a forma como o processo está a ser executado, mas como

gostaríamos que este fosse executado.

O Cpk, denominado índice de capacidade do processo, é uma métrica bastante

importante, visto que os processos nem sempre estão centrados no valor nominal da

especificação, sendo que utilizar apenas o índice Cp nos levaria a retirar conclusões erróneas.

Este índice tem em consideração a distância da média do processo em relação aos limites de

especificação e é calculado através da Eq. (27).

ˆ3,

ˆ3min

LIELSEC p (27)

Na Eq.(27), LSE representa o limite superior de especificação, LIE o limite inferior de

especificação, σ o desvio-padrão do processo e μ a média do processo. Se o processo estiver

centrado no valor nominal de especificação, Cp = Cpk. Caso Cp Cpk, sabe-se que o processo

está descentrado, isto é, que a média não coincide com o valor nominal das especificações.

Novamente, a grande maioria dos autores considera que caso um processo apresente um

48

Cpk > 1, e quanto maior for o seu valor, menor será a probabilidade do processo não cumprir a

especificação.

O Pp, denominado índice de performance potencial do processo, é uma medida da

capacidade global do processo que: compara a dispersão da especificação (LIE e LSE); e a

dispersão unilateral do processo (a variação 6-σ) com base no desvio padrão global. A

capacidade global indica o desempenho real do processo que o cliente experimenta ao longo

do tempo. A capacidade global é avaliada com base na variação do processo e desconsidera a

centralização do mesmo. Como o Pp não considera a localização do processo, este indica

apenas a capacidade global que o processo poderia atingir se fosse centralizado. Em geral,

valores de Pp mais elevados indicam um processo mais capaz. Valores mais baixos de Pp (<1)

indicam que talvez o processo precise de melhorias. Para o cálculo deste índice, à semelhança

do Cp e Cpk, é necessário fornecer um limite inferior e superior de especificação (LIE e LSE,

respetivamente), sendo o mesmo calculado através da Eq. (28).

6

LIELSEPp

(28)

O Ppk, denominado índice de performance do processo, é uma medida da capacidade

global do processo que: compara a distância da média do processo para o limite especificação

mais próximo (LIE e LSE); e a dispersão unilateral do processo (variação 3-σ) com base na sua

variação global. Ao contrário do Pp, o Ppk tem em conta a localização e a variação global do

processo. Usualmente, o Ppk é utilizado para avaliar a performance global do processo com

base na localização processo na dispersão do processo. A performance global indica o

desempenho real do seu processo de que o cliente experimenta ao longo do tempo. Em geral,

valores de Ppk mais elevados indicam um processo mais capaz. Os valores mais baixos de Ppk

indicam que o processo talvez precise de melhorias.

3,

3min

LIELSEPpk (29)

Tal como é possível observar através das Eqs. (25) a (29), e como já dito acima, o

cálculo destes índices é bastante semelhante, sendo que nos índices de performance Pp e Ppk,

o desvio-padrão (σ) utilizado tem em conta a variabilidade dentro do processo e entre os

subgrupos, ao passo que o desvio-padrão ( ) utilizado nos índices de capacidade Cp e Cpk

apenas considera a variabilidade dentro dos subgrupos.

Assim, e depois de clarificar os conceitos do Cp, Cpk, Pp e Ppk, apresenta-se

seguidamente a tabela, a Tabela 11, com os respetivos valores registados para cada

parâmetro, os gráficos gerados pelo software de controlo estatístico disponível na Exide

Technologies, Lda.

e sua análise.

49

Tabela 11 - Índices de capacidade e performance para os 4 parâmetros avaliados ([6]).

Índice/Parâmetro Espes. armadura Peso armadura Peso pasta seca Espes. tirada

Cp 1,712 1,175 1,061 0,974

Cpk 1,487 1,148 1,05 0,863

Pp 1,773 1,202 0,949 0,679

Ppk 1,54 1,175 0,939 0,602

Visto que os gráficos são em tudo semelhantes, optou-se por se colocar apenas os

gráficos relativos ao peso da armadura e à espessura da tirada, visto que estes apresentam os

melhores e piores índices dos 4 parâmetros avaliados.

Fig. 32 - Histograma relativo ao peso da armadura XP2.6+ ([6]).

Tal como se pode observar pelos dados da Tabela 11 e da Fig. 32, podemos observar

que os dados recolhidos geram um histograma com uma forma aproximada a uma curva de

Gauss e não existem registos fora dos limites de especificação. Tal traduz-se, por norma, em

indicadores com valores superiores a 1, que são indicativos de processos capazes. Além disso,

é pertinente comparar ainda o Cp com o Cpk, o Pp com o Ppk e o Cpk com o Ppk. Visto que os

valores de Cp e Cpk são semelhantes, podemos concluir que o processo está centralizado entre

os limites de especificação, o que é concordante com o gráfico observado. A mesma conclusão

pode ser retirada comparando os valores de Pp com os de Ppk que são bastante parecidos,

indicativos de processos centralizados entre os limites. Por fim, ao comparar o Cpk com o Ppk

podemos concluir que o processo está controlado estatisticamente visto que os valores são

bastantes semelhantes (a diferença entre ambos é de 0,027).

Freqüência Percentual

0 0,00%

2 1,50%

3 3,00%

5 4,50%

6 6,00%

8 7,50%

9 9,00%

11 10,50%

12 12,00%

14 13,50%

15 15,00%

233,000 234,905 236,810 238,714 240,619 242,524 244,429 246,333 248,238 250,143 252,048

Peso Armadura (g (grama))

Média

LIE LSE Alv o

50

Fig. 33 - Histograma relativo à espessura da tirada XP2.6+ ([6]).

Neste segundo caso, e tendo em conta os dados da Tabela 11 e da Fig. 33, podemos

observar que os dados recolhidos geram um histograma com uma forma aproximada a uma

curva de Gauss, porém, existem vários registos fora dos limites de especificação. Tal traduz-se,

por norma, em indicadores com valores inferiores a 1, que são indicativos de processos que

necessitam de melhorias. Tendo em conta os critérios utilizados acima, podemos concluir que

este processo é centrado pois Cp≅Cpk e Pp≅Ppk, porém, os valores de Cpk e Ppk diferem

grandemente, o que nos leva a concluir que o processo não está completamente controlado

estatisticamente. Esta diferença entre os valores de Ppk e Cpk representa a melhoria na

capacidade do processo que poderá ser esperada caso os desvios e deslocamentos do

processo sejam eliminados.

Ao analisar dum modo geral estes 4 parâmetros, claramente o parâmetro espessura da

tirada deveria ser alvo de intervenção, pois este, apesar de mínimo, pode ter uma influência no

defeito em estudo, a quantidade de tiradas caídas à saída do forno. Porém, como o principal

motivo das mesmas caírem ser o facto destas se deformarem e ficarem completamente

dobradas, associado ao facto do peso da tirada apresentar bons indicadores, não se

considerou este parâmetro muito relevante.

5.3.3 Estudo preliminar de Dureza

Seguidamente, optou-se por focar o trabalho na área da fundição e assim fazer um

estudo de dureza, porém, o equipamento necessário não existia na fábrica da Castanheira do

Ribatejo, sendo que o mesmo foi expedido da fábrica de Büdingen a 10 de maio de 2016,

aproximadamente um mês e meio depois do inicio do estágio curricular que motivou esta

Dissertação. Assim, para retirar algumas conclusões preliminares e tendo em conta que o

problema estava identificado (armaduras demasiado moles, que dobravam e caíam ao chão no

final da linha de empastamento) foi proposta a criação de um dispositivo artesanal, feito a partir

de materiais disponíveis na fábrica, capaz de medir a inclinação de cada armadura ao longo do

tempo, 48 horas. O aparelho criado consistia num bloco de ebonite serrado em formato de L

Freqüência Percentual

0 0,00%

11 1,70%

22 3,40%

34 5,10%

45 6,80%

56 8,50%

67 10,20%

78 11,90%

90 13,60%

101 15,30%

112 17,00%

2,74 2,77 2,81 2,84 2,87 2,90 2,94 2,97 3,00 3,03 3,07

Espessura Tirada (mm (milimetro))

Média

LIE LSE Alv o

51

fixado a uma escala com uma ranhura no topo, onde a armadura era apoiada e fixada. Além

disso, para melhorar os resultados foi criada uma peça que se puxava para evitar influências

externas ao largar a armadura. É possível ver este dispositivo criado na Fig. 34.

Fig. 34 - Dispositivo criado para aferir a inclinação de cada armadura apresenta ao longo do tempo

(dimensões: 30 cm x 50 cm x 30 cm).

Este equipamento por ser artesanal apresentava alguns problemas, nomeadamente: as

influências externas eram notórias, visto que ao largar a armadura era possível obter

resultados bastante díspares; o fator tempo por vezes tornava-se irrelevante, visto que o largar

das armaduras tinha efeito na inclinação obtida (mesmo com mais horas era possível obter

inclinação maiores dependendo de como foi largada a armadura); a composição das

armaduras está sempre a variar, sendo que a composição em cálcio e estanho afeta o fator em

estudo; a fixação e encaixe da armadura ao bloco não era perfeita, visto que estes não

apresentavam a mesma largura; nas primeiras 8 a 10 horas iniciais após a produção das

armaduras a inclinação obtida era sempre a mesma, e tendo em conta que o tempo em fábrica

era limitado, dificultando os registos. Ressalva-se que a composição varia ao longo do tempo, e

para ter um estudo exato seria necessário recolher armaduras durante um longo período de

tempo, de modo a tentar categorizar a inclinação com base na composição de cada armadura.

Inicialmente, optou-se por realizar este estudo no empastamento, de modo a ter uma

noção da inclinação apresentada aquando do empastamento das armaduras. No mínimo as

mesmas devem estar no armazém 48 horas, mas usualmente esse tempo é maior para garantir

boas condições de utilização das armaduras. Uma vez que o estrado onde as armaduras são

colocadas é muito grande, realizaram-se medições no início, meio e fim do mesmo. Um

exemplo dos dados recolhidos encontra-se na Tabela 12.

Tabela 12 - Medição da inclinação em cm, no início, meio e fim do estrado de armaduras a empastar.

Nº Lote Inclinação (cm)

Início Lote Meio Lote Fim Lote

818

7,77 7,56 8,40

7,98 7,98 9,03

7,77 8,19 8,40

7,98 8,40 7,56

7,98 8,19 8,82

Tiradas caídas 8

52

Seguidamente, recolheram-se dados na fundição para posterior comparação com os do

empastamento. Assim, um valor de inclinação que gerasse 0 tiradas caídas no empastamento

seria tido como ótimo, faltando apenas descobrir quanto tempo seria necessário para atingir tal

inclinação. Porém, o número de tiradas caídas era muito variável pelo que não se conseguiu

quantificar um valor ideal de inclinação, até pelas razões citadas acima. A título de exemplo,

foram registados alguns valores na fundição, sendo que: as condições de registo se encontram

sumarizadas na Tabela 13; os dados recolhidos encontram-se na Tabela 13; e na Fig. 35,

encontra-se o gráfico resultante da compilação dos dados da Tabela 14.

Tabela 13 - Registo das condições a que foram obtidos os dados da fundição.

Propriedade Máquina 1 Máquina 3

Tem

pe

ratu

r

a (

°C)

Conduta 500 498

Colher 530 530

Molde Sup. 216 210

Molde Inf. 201 207

Cadinho 500

Ca [%] 0,0709 0,0719

Sn [%] 1,32

Tal como é possível observar pela Tabela 13, as condições de partida de ambas as

máquinas são muito semelhantes, visto que o cadinho (recipiente onde se encontra a liga de

Pb-Ca-Sn) é comum às máquinas 1, 2 e 3.

Tabela 14 - Inclinação obtida para as armaduras retiradas da máquina 1, dada em cm.

Dia 9 de maio 10 de maio 11 de maio

Nº/Hora 0 3 6,5 8,5 24 28 31 48 53 55

Inclin

aç

ão

(cm

)

1 16,80 16,80 16,80 16,80 7,35 7,35 7,14 7,77 7,56 7,56

2 16,80 16,80 16,80 16,80 7,35 7,35 7,35 6,93 7,35 7,56

3 16,80 16,80 16,80 16,80 7,35 7,14 7,35 7,14 7,35 7,35

4 16,80 16,80 16,80 16,80 7,35 7,14 7,14 7,56 7,14 7,35

5 16,80 16,80 16,80 16,80 7,98 7,56 7,14 6,93 7,14 7,14

Média 16,8 16,8 16,8 16,8 7,476 7,308 7,224 7,266 7,308 7,392

Na Tabela 14, podem observar-se as medidas registadas de inclinação em função do

tempo decorrido após a fundição, optando-se por colocar apenas os dados referentes à

máquina 1, visto que a máquina 3 produziria uma tabela bastante semelhante. Ressalva-se que

os registos para ambas as máquinas foram recolhidos às mesmas horas, utilizando sempre 5

armaduras para gerar menos flutuações nos resultados obtidos.

53

Fig. 35 – Inclinação em função do tapós fundição.

Pela análise do gráfico da Fig. 35, pode-se observar que a inclinação com o passar do

tempo após fundição nem sempre diminui. Teoricamente, com o passar do tempo a armadura

endurece, tornando-se menos flexível, porém, pode-se constatar que tal afirmação nem sempre

é observada nos dados obtidos. Esta análise foi feita ao longo de mais de 10 dias úteis, quase

sempre com resultados incongruentes, pelo que se optou por descontinuar este método

aquando da chegada do durómetro.

5.3.4 Validação do sistema de medição

Após ser apresentado o sistema de medição, em 5.2.4, é necessário assegurar que o

mesmo é passível de ser utilizado ao longo do estudo de dureza realizado. Para tal efeito,

quando se está perante um projeto 6σ ou uma certificação ISO, é necessário realizar um

estudo M.S.A (sigla inglesa para Measure System Analysis), o qual quantifica a variabilidade

associada às medições e ao sistema de medição. Ressalva-se que o facto do equipamento de

medição estar calibrado não é premissa suficiente para o considerar como bom. Tal facto,

apenas influencia a precisão e exatidão ([12]).

A variação global de um processo provém de duas fontes, sendo estas: variação da

peça; e variação M.S.A. A primeira engloba os métodos, os materiais e as máquinas e a

segunda está associada ao equipamento de medição e aos operadores, usualmente

designadas por repetibilidade e reprodutibilidade, respetivamente. A repetibilidade representa a

capacidade de um operador replicar a medição com a mesma amostra, ao passo que a

reprodutibilidade traduz a habilidade de diferentes operadores conseguirem atingir o mesmo

resultado com as mesmas amostras.

Recorreu-se então a testes de Repetibilidade e Reprodutibilidade (R&R) para validar o

sistema de medição. O tipo mais comum é o estudo Gage de repetibilidade e reprodutibilidade

(R&R) cruzado, onde são avaliados os efeitos de dois fatores na variação do sistema de

medição — geralmente, Operador e Peça. Quando três ou mais fatores são incluídos na

análise, o estudo denomina-se Gage R&R expandido. Ainda existe outro tipo de estudo Gage

R&R denominado Gage R&R localizado (em inglês Gage R&R nested) utilizado quando as

0

5

10

15

20

0 10 20 30 40 50 60

Incl

inaç

ão (

cm)

t (h) Máquina 1 Máquina 3

54

amostras não são passíveis de serem avaliadas múltiplas vezes por vários operadores

(exemplo: testes cuja amostra é destruída após medição).

Para análise dos resultados, recorreu-se ao método Gage R&R cruzado, através do

software Minitab, visto ser o indicado quando operadores diferentes medem as mesmas

amostras. Ao utilizar este método e para garantir que os resultados são válidos é necessário

considerar as seguintes diretrizes na recolha de dados, na realização da análise, e na

interpretação dos resultados: os operadores devem medir as peças numa ordem aleatória; os

operadores devem medir pelo menos 10 peças para que um estudo seja considerado

adequado; devem ser selecionadas peças que representam o intervalo real ou esperado da

variação do processo; os fatores Operador e Peça devem ser cruzados; os fatores Operador e

Peça devem ser aleatórios; Os operadores devem medir cada peça pelo menos duas vezes; e

devem ser utilizados pelo menos três operadores para que um estudo seja considerado

adequado, a menos que o número de operadores que utilizam o sistema de medição seja,

menor que 3.

Assim, no teste R&R cruzado ao sistema de medição da dureza das armaduras XP2,6+,

foram utilizadas 10 armaduras, recolhidas de modo a abranger todas as variações do processo

a que o produto está sujeito. As armaduras foram numeradas de 1 a 10 e dispostas por ordem

aleatória. De seguida, solicitou-se a 2 operadores que medissem três vezes a dureza de cada

armadura, sendo que após a conclusão de cada teste, se misturaram as amostras para evitar

manipulação dos resultados.

Assim, através da aplicação do método Gage R&R e suas métricas é possível calcular

os graus de liberdade (DF), a soma das diferenças quadráticas (SS), a média das diferenças

quadráticas (MS), a função cumulativa da distribuição F (F) e o valor-p (P) através das Eqs.

(30) a (37). Tais resultados encontram-se expressos na Fig. 36, retirada do software Minitab.

)1()( aADF (30) )(1 ifFPpvalor (31)

)1)(1()( baABDF (32) )(

)()(

ErroMS

AMSAF (33)

j

ib yynASS2

)(

(34)

)(

)()(

ADF

ASSAMS (35)

j k

ijijkj

i j k

ijk yySyyABSS22

)(

(36)

)(

)()(

ErroDF

ErroSSErroMS (37)

Nas Eqs. acima, (30) a (37), tem-se: A e B, fatores; AB, interação entre os fatores A e B; 𝑎,

número de níveis no facto A; b, número de níveis no facto B; n, dimensão de amostra; yi, média

dos valores do nível i de um determinado fator; 𝑦 , média das observações.

55

Fig. 36 - Resultados do método Gage R&R cruzado ao sistema para a medição da dureza em armaduras

XP2.6+.

Através da Fig. 36 e através da interpretação do valor-p para as amostras, operadores

e interação amostra-operador podemos retirar algumas conclusões, nomeadamente: o baixo

valor-p para a amostra (0,00) permite-nos concluir que nem todas as amostras são iguais, o

que se verifica pois foram utilizados diversos tipos de armaduras, as quais foram submetidas

ou não a tratamento térmico; o elevado valor-p (>0,05) leva-nos a concluir que os operadores

são igualmente eficientes e que as interações amostra-operador são desprezáveis. Além disso,

é importante atentar aos graus de liberdade, indicativos do número de medições necessárias

para estimar a repetibilidade. Recomendavelmente este valor deve ser superior a 45, o que se

verifica (59 graus de liberdade).

Determinou-se ainda a variância e a contribuição de cada componente na variação

total, Eqs. (38) a (44).

)()( ityrepeatabilMSityrepeatabilVarComp (38)

na

ityrepeatabilMSoperatorMSoperatorVarComp

)()()(

(39)

)()( operatorMSilityreproducibVarComp

(40)

nb

ityrepeatabilMSparttopartMSparttopartVarComp

)()()(

(41)

)()()&( ityrepeatabilVarCompoperatorVarCompRGageRVarComp

(42)

)( ilityreproducibVarComp

VarcompparttopartVarcompRGageRVarcomptotalVarComp )()&()(

(43)

100)(

))((% Varcomp

iVarcompiVarcomponContributi

(44)

Nas Eqs. acima, (38) a (44), tem-se: VarComp, variância do componente (em HBW), %

Contribution, contribuição de cada componente na variação total do processo; a, dimensão de

56

amostras medidas; n, número de vezes que foi executada cada medição; b, número de

operadores.

Fig. 37 - Contribuição dos componentes de variação do sistema de medição para a dureza.

Para se poder validar o sistema de medição, a contribuição do teste R&R não poderá

exceder 9% da variação total, obtendo-se uma variação de 2,15% para este teste, sugerindo

que o sistema de medição é aceitável para medir a dureza das armaduras testadas. Visto que

a repetibilidade tem maior contribuição do que a reprodutibilidade, conclui-se que é mais difícil

repetir do que reproduzir valores.

De seguida, procedeu-se à análise do desvio-padrão, Eqs. (45) e (46). Acessoriamente,

determinou-se a parcela StudyVar, representante da variação da dureza proveniente do

sistema de medição, dada pela Eq. (47), e em percentagem pela Eq. (48). Determinou-se ainda

o número de categorias distintas que o sistema de medição identifica, de modo a averiguar a

capacidade deste detetar diferenças na caraterística em estudo, através da Eq. (49).

2

Re

2

Re

2

6 propeatRR (45) 22

&

2

parttoPartRRTotal (46)

iStudyVar 6 (47) 100% Total

iStudyVar

(48)

2

)(&

int

totalRR

parttoPartNNCD

(49)

Fig. 38 - Desvio-padrão, variação dos componentes do teste R&R e número de categorias distintas pelo

sistema.

57

Relativamente ao número de categorias distintas pelo sistema de medição,

obtiveram-se 9, sendo que segundo a AIAG (sigla inglesa para Automotive Industry Action

Group) este valor deve ser superior a 5, cumprindo o requisito imposto. Além disso, com os

dados da Fig. 37 e da Fig. 38 obteve-se ainda o gráfico representativo dos componentes de

variação, dado pela Fig. 39. Este gráfico pode ser interpretado pelas fórmulas descritas acima.

Fig. 39 - Variação dos componentes do teste R&R pelo sistema de medição para as armaduras XP2.6+.

Acessoriamente, ao analisar a Fig. 38 e a Fig. 39 conclui-se que as diferenças entre

armaduras são o principal fator causador de variação no estudo (e não a variação do próprio

teste R&R). Por outro lado, a variação associada ao teste R&R é de 14,67 %, sendo que um

valor superior a 30 % inviabilizaria o estudo. Quase a totalidade da variação, 14,60 %, provém

da repetibilidade de valores, concluindo que é mais difícil repetir valores do que reproduzir,

como já referido.

Seguidamente, na Fig. 40, estão ilustradas as cartas de controlo e das amostras

testadas, as quais nos permitem concluir se o sistema de medição está controlado. Os dados

de são de 3 medições e os de a sua amplitude. As medições foram efectuadas por 2

operadores, correspondentes aos 2 setores de cada uma das cartas.

Fig. 40 - Cartas de controlo e da dureza das amostras por operador.

58

A partir da carta de controlo , analisada sempre em primeiro lugar avalia-se a

consistência do método de medição de cada operador. No cálculo do Limite Superior de

Controlo (UCL) está incluído o número de medições realizadas por operador a cada amostra e

a variação entre as mesmas, por isso, se o operador for consistente, as suas medições não

excederão este limite de controlo. É possível verificar que por uma vez, na amostra 3, o

operador 1, registou uma medida fora dos limites de controlo. Visto que o Limite Inferior de

Controlo (LCL) é igual a 0, conclui-se que não existem desvios nas medições para as mesmas

amostras. Conclui-se ainda que, ambos os operadores foram consistentes, atingindo-se uma

amplitude média de 0,576 HBW, o que se traduz numa leitura com diferença de menos de

30 μm aquando da medição do diâmetro de indentação, tendo por isso um impacto muito

pouco significativo.

Na carta de controlo , visto que foram utilizadas amostras representativas de toda a

gama de armaduras possíveis e os limites de controlo são calculados apenas tendo em conta a

dureza média e o desvio-padrão, existem vários pontos fora dos limites de controlo. Tal facto

permite-nos concluir que o sistema de medição consegue distinguir as amostras, registando,

assim, armaduras fora de controlo.

Seguidamente, na Fig. 41, apresenta-se a dureza média por amostra (unidas por uma

linha a azul) e todas as medições realizadas para cada uma (pontos demarcados a cinza), com

o objetivo de identificar as amostras que provocaram maior discrepância na aferição da dureza.

Fig. 41 – Dureza média por amostra.

Novamente, tal como é possível observar a amostra 3 foi a que causou mais problemas

de medição, visto que é a que gera medições mais afastadas entre si.

Seguidamente de modo a comparar as distribuições das medições, desenharam-se os

diagramas de caixa relativos à dureza obtida por operador, Fig. 42 . Pela interpretação dos

diagramas de caixa, confirma-se que os operadores alcançaram médias e medianas bastante

semelhantes, sendo que o operador número 2 obteve uma dispersão de valores menor. Este

estudo tornar-se-ia bastante mais interessante caso fosse possível ter à disposição mais

operadores, podendo comparar os resultados obtidos entre si.

59

Fig. 42 - Diagramas de caixa da dureza obtida por operador (sendo, na caixa, o ponto a média e o traço a

mediana).

Na Fig. 43 está representada a dureza média de cada amostra por operador. Nesta

figura, a interseção das linhas traduz a interação operador-amostra. Pode-se concluir que, para

uma mesma amostra, a dureza média obtida pelos 2 operadores é bastante semelhante, sendo

que a amostra 3 é a que gera maiores diferenças obtidas, novamente.

Fig. 43 - Interação entre a dureza média das amostras e os operadores.

Após o estudo M.S.A. ao sistema de medição da dureza, comprova-se e conclui-se que

este reúne os requisitos necessários, considerando-se aceitável (variação R&R entre 10 e

30 %) para avaliar este parâmetro. Por fim, ressalvar que as medições de indentação estão na

escala dos micrómetros e é compreensível que não seja fácil obter valores super concordantes

em operadores não treinados. Deste modo, a variação associada ao teste R&R, de 14,67 %,

poderia ser melhorada para um valor tido como ótimo (recomendado < 10 %).

5.3.5 Dados recolhidos

Nesta secção da presente Dissertação ir-se-á explicar algumas limitações inerentes ao

software utilizado no controlo estatístico, o Infinity QS®, e ainda serão apresentados alguns

dados recolhidos numa fase inicial, clarificando a sua maior ou menor importância ao longo do

estudo de dureza desenvolvido.

Numa fase inicial e de maneira a identificar os fatores a serem trabalhados recorreu-se

ao software de controlo estatístico para analisar se existiria algum parâmetro fora de

especificação ou fora de controlo, tal como visto em 5.3.2. Após análise de tais dados, tentou-

se encontrar uma relação entre os dados da fundição e os dados do empastamento. Estas

duas zonas processuais são analisadas pelo software de controlo estatístico, sendo que na

fundição, após as armaduras serem fundidas e antes de serem armazenadas, lhes é atribuído

60

um número de lote (de fundição). Já no empastamento, este número de lote perde significância

pois as armaduras ao serem empastadas, são colocadas noutro tipo de grade (de

armazenamento vertical) e consequentemente é-lhes atribuído outro número de lote (de

empastamento). Na avaliação dos fatores considerados inicialmente mais relevantes,

cruzaram-se os lotes de fundição com os do empastamento, tarefa realizada com bastante

sucesso, sendo que ainda possível relacionar com exatidão, os lotes de fundição com as

máquinas que os produziram. Seguidamente tentou atribuir-se a sucata produzida a 4

variáveis: o turno de produção; a máquina em que as armaduras foram produzidas; o peso

médio das armaduras de cada lote de fundição; e a espessura média de cada lote de fundição.

Caso fosse possível relacionar o problema de geração de sucata com algum destes fatores, a

abordagem ao problema de geração de sucata seria completamente diferente, visto que

bastaria retirar do estudo as variáveis em questão, registar a sucata produzida daí em diante e

posteriormente atuar em conformidade, dependendo da geração de sucata obtida. Em teoria,

se determinada máquina produzisse maior percentagem de sucata que as demais, estaria

relacionado com o peso e espessura da armadura, visto que o cadinho de liga de chumbo

alimenta as três máquinas em simultâneo. Além disso, poder-se-ia dar o caso de a máquina em

questão necessitar de afinações por parte de trabalhadores especializados.

Após análise dos dados recolhidos para avaliação dos fatores acima considerados,

optou-se por não retirar conclusões precipitadas, pois estes apresentavam algumas

incongruências, normais dentro do meio industrial. Passam a listar-se as razões que levaram

ao abandono deste cruzamento de dados, sendo estas: existem lotes de empastamento que

englobam mais de um lote de fundição o que é fisicamente impossível, visto que as grades do

empastamento são de menor capacidade; existem lotes de fundição que coincidem apenas

com um lote de empastamento, o que também é fisicamente impossível, pelo motivo citado

anteriormente; existem lotes de empastamento que podem ter tiradas provenientes de lotes de

fundição diferentes, que eventualmente terão sido fundidas em dias diferentes ou mesmo por

máquinas diferentes; existe, muito esporadicamente, alternância entre lotes de fundição para o

mesmo lote de empastamento, sendo que cada lote de fundição é único e de utilização

contínua; existem horários de empastamento de XP2.6+ que não coincidem inteiramente com o

colocado na folha de registo de sucata, isto é, ocasionalmente, existe desfasamento de uma ou

mais horas em que não há produção de XP2.6+ e é registada sucata nas folhas de registo e

vice-versa. Pelas razões enumeradas anteriormente, optou-se por não cruzar os dados de

controlo estatístico provenientes da fundição com os do empastamento, assumindo-se assim

que as 3 máquinas de fundição são igualmente capazes de produzir armaduras conformes.

Seguidamente, optou-se por recolher dados da fundição de maneira a conhecer o

processo de um modo geral, sendo que os dados recolhidos nesta fase inicial, foram

aglomerados em tabelas iguais à Tabela 21 (em anexo A) de que resultam os gráficos

apresentados na Fig. 44 a Fig. 46.

61

Fig. 44 - Temperatura da conduta, colher, molde superior e inferior. Registos: 9 de maio.

Da análise da Fig. 44 pode-se observar que todas a temperaturas se encontram dentro

dos intervalos de especificação, sendo que o mesmo foi observado em todos os dias que se

efetuaram medições. Ressalva-se que, a temperatura da conduta e colher não apresentam LIE,

visto que é apenas relevante não ultrapassar o valor de LSE. Além disso, estes dados são

controlados pelos operadores e não são registados. Visto que ao longo de todos os registos se

obtiveram valores sempre entre os limites de especificação, abandonou-se o controlo destes

parâmetros em etapas mais avançadas da análise.

Fig. 45 - Peso e espessura armadura XP2,6

+. Registo: 9 de maio.

470

490

510

530

550

9:00 11:00 13:00 15:00 17:00

T (c

on

du

ta)

[ºC

]

Hora (hh:mm)

520

530

540

550

9:00 11:00 13:00 15:00 17:00

T (C

olh

er)

[ºC

]

Hora (hh:mm)

150

170

190

210

230

9:00 11:00 13:00 15:00 17:00

T (M

old

e S

up

.) [

ºC]

Hora (hh:mm)

150

170

190

210

230

9:00 11:00 13:00 15:00 17:00

T (M

old

e In

f.)

[ºC

]

Hora (hh:mm)

M2 M3 LIE LSE

230

235

240

245

250

255

260

9:00 11:00 13:00 15:00 17:00

Pe

so (

g)

Hora (hh:mm)

M2 M3 LIE LSE

2,45

2,50

2,55

2,60

2,65

2,70

9:00 11:00 13:00 15:00 17:00

Esp

ess

ura

[m

m]

Hora (hh:mm)

M2 M3 LIE LSE

62

Em relação aos registos efetuados de peso e espessura das armaduras XP2.6+, tal

como percetível na Fig. 45, também se obtiveram resultados bastante satisfatórios, nunca

ultrapassando os limites de especificação em nenhum dos dias. Este facto é explicado pelos

ótimos índices de capacidade e performance obtidos para estes parâmetros. Após constatar tal

facto, optou-se então por focar o estudo de dureza sobretudo no teor de cálcio e estanho.

Fig. 46 - Teor de cálcio e estanho armadura XP2,6

+. Registo: 9 de maio.

Em relação aos gráficos da Fig. 46, pode-se observar que o nível de cálcio está mais

aproximado do LSE do que do LIE, o que é bastante compreensível, visto que o cálcio confere

dureza ao produto em estudo. Por oposição o teor de estanho, nos dias registados encontrava

abaixo do LIE, o que não deveria acontecer. Tal facto, verificou-se durante os dias em registo,

porém em etapas processuais mais avançadas verificou-se que o teor médio de estanho era de

1,35 a 1,39 %. Ressalva-se que a liga Ca6, a liga em estudo, originalmente, contém um teor de

estanho de 1,4 % e 0,06 % de cálcio. Para o cálcio, visto que o mesmo arde no cadinho,

fazem-se adições periódicas de lingotes de correção de cálcio para que o teor oscile sempre

entre os limites de especificação.

Destas medições conclui-se que o principal fator a atentar será o teor de cálcio, pois

este confere dureza ao produto e é o parâmetro com maior variação.

5.4 6σ — Analisar

Na terceira fase do ciclo DMAIC, a fase analisar, o foco passa por explanar o processo

ou o produto alvo de ações de melhoria. É comum analisar-se o mapeamento de processos

com vista a determinar as causas dos problemas identificados. Além disso, deve-se identificar

as possíveis causas de defeitos ou de variações existentes, fazendo uma análise e uma

avaliação dos mesmos. Para tal efeito é comum: analisar o processo gerador do problema;

analisar dados do problema prioritário e do seu processo gerador; identificar, organizar e

hierarquizar as causas potenciais do problema prioritário; e quantificar a importância das

causas potenciais prioritárias.

Com base nos dados preliminares recolhidos na fase Medir e índices dados pelas

ferramentas de controlo estatístico é pertinente analisar as potenciais causas para a

variabilidade da dureza. Para tal, recorre-se ao diagrama de causa-efeito ou de Ishikawa, que

0,055

0,060

0,065

0,070

0,075

9:00 11:00 13:00 15:00 17:00

Teo

r d

e C

a [%

]

Hora (hh:mm)

M2 M3 LIE LSE

1,30

1,35

1,40

1,45

9:00 11:00 13:00 15:00 17:00

Teo

r d

e S

n [

%]

Hora (hh:mm)

M2 M3 LIE LSE

63

tal como o nome sugere, identifica as causas de um determinado efeito, indicando a relação

entre o efeito e as causas. As causas que dão origem a defeitos e fontes de variação, foram

agrupadas em 6 categorias distintas: Mão-de-obra (Homem), Máquina, Meio Ambiente,

Material, Medição e Método. No presente caso, a variabilidade da dureza pode estar associada

a qualquer uma destas categorias, porém, e para efeitos de estudo, apenas se deu foco a três

destas categorias —método, meio ambiente e material—, demarcadas no diagrama de causa-

efeito, Fig. 47.

Nas 3 categorias não estudadas considera-se que: na categoria Homem todos os

operadores são igualmente capazes, que a utilização de diferentes set points (conduta, colher

e moldes superior e inferior) e que a quantidade maior ou menor de desmoldante não têm

relevância na dureza obtida; na categoria máquina que as variações das temperaturas entre

máquinas não afetam a dureza, produzindo armaduras igualmente boas e que a pressão

exercida nos rolos e caudal de água de refrigeração de todas as máquinas é igual (apesar de

imensurável); e na categoria medição, o espectrofotómetro não afeta a dureza final da

armadura obtidas, servindo apenas para aferir o teor dos elementos presentes na liga, e que o

durómetro apesar de ter erros associados ao operador e ao polimento das patilhas, considera-

se que todas as patilhas são igualmente polidas.

Dentre as categorias estudadas, apenas se estudou a influência da variação da

temperatura ambiente na categoria Meio Ambiente, não estudante a variação da humidade

relativa e na categoria material não se abordou a variação da quantidade de Sn, pois este

apenas queima a temperaturas não utilizadas na fundição.

Fig. 47 - Diagrama causa-efeito da variabilidade da dureza.

64

5.4.1 Baseline processual

De modo a criar uma base de dados, resolveu-se analisar a dureza média de

empastamento na linha 3, onde apenas são empastadas armaduras positivas, incluindo a

XP2,6+. Para tal efeito, realizaram-se sempre duas medições de dureza, às 10h e às 16h,

utilizando 5 armaduras diferentes (patilhas), calculando-se a média das respostas. Os dados

recolhidos e analisados seguidamente encontram-se compilados no gráfico da Fig. 48.

Fig. 48 - Baseline processual dureza, por dia, ao longo de um mês.

No gráfico da figura citada anteriormente é possível observar que alguns dados

apresentam uma linha de contorno a negro, indicativos de amostra XP2.6+ tratada em estufa,

sendo que as restantes armaduras positivas não sofriam este tipo de tratamento, daí a dureza

observada ser ligeiramente menor. Através da observação do gráfico é possível retirar algumas

conclusões, nomeadamente: a dureza média registada é de 14,79 HBW2,5/6,25/30 e esta

oscila entre os valores máximos e mínimos de 18,44 e 11,88 HBW2,5/6,25/30, respetivamente;

e o fator tapós fundição apresenta uma média global de 155,1h, sendo que o mínimo especificado é

de 48h (maior tapós fundição confere maior dureza). Ressalva-se que as armaduras utilizadas para

desenhar a baseline nem sempre são do mesmo tipo, pois a produção da unidade fabril varia

com a hora e dia da semana. Além disso, é possível observar que a dureza média passa de

14,79 para 14,03 HBW2,5/6,25/30 retirando as armaduras XP2,6+, visto que estas foram

tratadas em estufa, apresentando durezas ligeiramente superiores, na grande maioria das

observações. A interpretação deste gráfico não deve conduzir ao estabelecimento de um valor

alvo para a dureza, visto que não é garantido que a dureza obtida não gera o problema que

motivou ao estudo, contudo tem utilidade prática para atribuir uma ordem de grandeza à

dureza, visto que nunca tinha sido realizado um estudo deste tipo. Além disso, visto que foram

testados vários tipos de armaduras, é possível verificar que armaduras de tipos diferentes, têm

uma dureza final bastante semelhante.

0

50

100

150

200

250

0

5

10

15

20

25

30

35

40

t ap

ós

fun

diç

ão (

h)

Du

reza

(H

BW

2,5

/6,2

5/3

0)

Data (dd-mm-aaaa)

Dureza - 10h Dureza - 16h t(após fundição) - 10h t(após fundição) - 16h

65

5.4.2 Dureza: influência do teor de cálcio

Nesta etapa de análise, de modo a melhor quantificar a influência do teor de cálcio na

dureza, estudou-se primeiramente a variação deste elemento ao longo de um turno, visto que

este queima no cadinho. Como já referido anteriormente, o teor de cálcio está intrinsecamente

relacionado com a dureza final do produto e, visto que a composição varia com o tempo, a

dureza final do produto também deve variar. Para evitar variações bruscas de dureza no

produto final são feitas correções periódicas ao teor de cálcio, através da inserção de lingotes

de correção de Pb-Ca.

Fig. 49 - Variação do teor de cálcio (%) ao longo de um turno, turno 2.

Tal como é percetível na Fig. 49, aproximadamente no início do turno, foi adicionado

um lingote de correção Pb-Ca às 9h30min da manhã pelo que o teor de cálcio sobe do valor

dito nominal para um valor de aproximadamente 0,0725% para as 3 máquinas. Após tal adição

e até às 14h15min o teor de cálcio, tal como espectável, diminui e é a esta hora que é

adicionado novo lingote de correção. Em média cada lingote de correção faz com que o teor de

cálcio suba entre 0,004 a 0,006% e por turno são adicionados ou um ou dois lingotes de Pb-

Ca. Ressalva-se que este estudo, o acompanhamento integral do cálcio ao longo de um turno

completo, só se realizou uma vez e apenas para ilustrar o que já de conhecimento geral dentro

da unidade fabril. Além disso, a realidade demonstrada, onde praticamente não há dados

registados entre o teor nominal e o LIE é representativo do funcionamento das máquinas de

fundição da liga Ca6, de modo a garantir uma dureza elevada para o produto final.

Seguidamente, quantificou-se a influência do teor de cálcio na dureza. Tal estudo,

nunca tinha sido efetuado visto que o equipamento foi disponibilizado pela fábrica de BD. Para

tal, resolveu retirar-se armaduras da fundição em diversas alturas do dia, de modo a ser

possível acompanhar o processo de endurecimento ao longo das 48h. Por exemplo, caso

fossem retiradas armaduras apenas às 8h da manhã, apenas seria possível acompanhar os

períodos de endurecimento 0-8h e 24-32h. Primeiramente equacionou-se a construção de

várias curvas de endurecimento (a diversas composições), porém, abandou-se tal ideia, visto

0,0575

0,06

0,0625

0,065

0,0675

0,07

0,0725

0,075

0,0775Teor de Ca (%)

Hora (hh:mm)

Máq 1

Máq2

Máq3Adicionado 1 lingote de correcção

Adicionado 1 lingote de correcção

66

que o teor de cálcio varia temporalmente e rapidamente, tornando muito difícil obter amostras

com a mesma composição, recolhidas em diferentes horas do dia. Optou-se, portanto, por criar

3 categorias distintas, de modo a simplificar o processo de recolha de dados, tal como é

passível de observar na Fig. 50.

Fig. 50 - Dureza em função do tempo decorrido após fundição, para 3 categorias de composição

diferentes.

As categorias criadas, estão demarcadas a diferentes cores na figura citada

anteriormente, porém, não se registaram muitos dados abaixo de 0,067% de Ca, visto que a

unidade fabril não queria potenciar um problema já existente, optando por trabalhar em teores

de cálcio mais próximos do LSE, compreensivelmente. Além disso, como é possível observar

para as categorias com mais dados recolhidos, optou-se por estender o estudo até às 72h (3

dias), apenas para verificar se existiam mudanças bruscas na dureza do produto final. Pelos

dados recolhidos e analisados, pode-se observar que a dureza ao final das 48h não é muto

diferente para as diversas categorias de cálcio criadas (diferença de 1,34 HBW2,5/6,25/30

entre a categoria de maior e menor cálcio). Tendo em conta os resultados obtidos, e visto que

inicialmente se assumiu que o efeito do cálcio seria muito mais significativo, resolveu

analisar-se 4 parâmetros e avaliar a sua significância através de uma experiência planeada ou

DOE (sigla inglesa para Design of Experiments).

5.4.3 DOE: Parâmetros influenciadores da dureza

Nesta fase de análise, e visto que o efeito do teor de cálcio é menor que o esperado,

resolveu criar-se um DOE e determinar a sua significância na dureza final do produto em

estudo ([10]). Para tal, foi realizado um DOE, que passa pela realização de uma série de

ensaios, nos quais se altera propositadamente as variáveis de entrada ao mesmo tempo que

se observam as respostas, as variáveis de saída. Depois de identificar as condições do

processo que afetam a qualidade do produto, é possível refinar a análise de modo a melhorar a

capacidade de produção, confiabilidade, qualidade e desempenho do produto estudado.

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

0:00:00 12:00:00 24:00:00 36:00:00 48:00:00 60:00:00 72:00:00

Du

reza

(H

BW

2,5

/6,2

5/3

0)

Horas (hh:mm:ss)

Ca > 0.070 0.0675 < Ca < 0.070 Ca < 0,0675

67

O software Minitab, oferece a possibilidade de realizar diversos tipos de DOE’s, sendo

estes: filtragem de experiências; experiências fatoriais; experiências de superfície de resposta;

experiências de mistura; e experiências Taguchi (assim chamadas em homenagem ao

engenheiro e estatístico Genichi Taguchi). No caso presente optou-se pela realização de um

DOE tipo fatorial completo de 2 níveis, o qual permite estimar a significância dos efeitos

principais e efeitos de interação entre os parâmetros estudados. Uma interação ocorre quando

o efeito de uma variável é afetado pelo nível de uma outra variável ([15] e [3]).

Ao criar um DOE, o Minitab aleatoriza automaticamente a ordem de execução dos

ensaios, de modo a: equilibrar o efeito de condições anómalas ou incontroláveis; reduzir a

probabilidade de que as diferenças nos materiais experimentais ou condições distorçam os

resultados.; e estimar a variação inerente a materiais e condições, para possibilitar inferências

estatísticas válidas com base nos dados do experimento.

O DOE seguidamente apresentado, foi realizado com 4 fatores e 2 níveis, sendo que

cada replicação (e não repetição) corresponde a um total de 16 ensaios (24), Tabela 15. Nesta

tabela é possível observar os valores definidos para cada parâmetro estudado, sendo que é

percetível que foram realizados 8 ensaios para cada teor de cálcio, totalizando 16 ensaios por

replicação. Sendo que se realizaram 3 replicações, foram realizados 48 ensaios aleatorizados,

sendo que em cada um foram utilizadas 5 patilhas diferentes.

Tabela 15 - Sumário dos ensaios realizados e respetivas condições utilizadas.

Teor de cálcio (%) 0,065/0,075

Estufa Sim Não

Temperatura (°C) 5 40 5 40

tapós fundição(h) 24 48 24 48 24 48 24 48

Seguidamente, compilaram-se os resultados de dureza obtidos (disponíveis em Anexo

B), para cada ensaio no Minitab e realizou-se uma análise ao design fatorial, utilizando todos

os termos e ajustando o intervalo de confiança para 90% (nível de significância de 0,1). Esta

análise gera um gráfico de pareto dos efeitos padronizados e respetivos dados, Fig. 52 e Fig.

51, respetivamente.

Fig. 51 - Gráfico de pareto de efeitos padronizados.

68

Os dados da Fig. 51, podem ser interpretados com dos dados da Fig. 52, à exceção da

linha demarcada a vermelho, designada margem de erro (ME). Esta é calculada através da Eq.

(50), onde t é o (1 - α / 2) quantil de uma distribuição t com graus de liberdade iguais aos graus

de liberdade do termo erro. O termo Lenth’s PSE (sigla inglesa para pseudo standard error) é

calculado com base na mediana dos efeitos (valores absolutos), multiplicando-a por 1,5.

Seguidamente, desprezam-se os efeitos cujo valor é 2,5 vezes menor ao valor calculado

anteriormente e calcula-se uma nova mediana. O valor obtido é multiplicado por um fator de

1,5, obtendo assim Lenth’s PSE.

)'( PSEsLenthtME

(50)

Fig. 52 - Efeitos, coeficientes, desvio padrão dos coeficientes, T-value, valor-p para os parâmetros em

estudo.

Pela análise da Fig. 51 é possível observar que apenas alguns efeitos são

significantes, os que estão acima da margem de erro, sendo estes: estufa; temperatura

ambiente; tempo após fundição; e interação estufa e temperatura ambiente. Tal facto é

corroborado, obviamente, pelos dados da Fig. 52, onde é possível observar que apenas estes

parâmetros têm um valor-p menor que o nível de significância (=0,1). Ressalva-se que os

dados obtidos na Fig. 52 foram calculados através das Eqs. (51) a (55). Nestas equações, Ay ,

By e ABy , representam a média das observações de dureza para o fator descrito utilizando o

nível mais elevado, ...y representa a média global de todas as observações de dureza e EMS

representa o erro quadrático médio (2s ).

)(2)( xCoeffxEffect (51) ...)( yyACoeff A (52)

...)( yyyyABCoeff BAAB (53) n

MSASE E

coeff )( (54)

)(

)()(

ASE

ACoeffAvalueT

coeff

(55)

Seguidamente, realizou-se a mesma análise, design fatorial, apenas com os termos

significantes. Os resultados são apresentados nas Fig. 53 e Fig. 54.

69

Fig. 53 - Gráfico de pareto de efeitos padronizados, resposta é a dureza (apenas termos relevantes).

Fig. 54 - Efeitos, coeficientes, desvio padrão dos coeficientes, T-value, valor-p para os termos relevantes.

Na Fig. 54 é possível observar pelo reduzido valor-p (menor que 0,1), que estes termos

ainda são significantes, mesmo após a exclusão dos termos de menor significância.

Seguidamente, através da ferramenta gráficos fatoriais (em inglês factorial plots),

desenharam-se gráficos de efeitos principais. Este tipo de gráfico apresenta a resposta média

para cada nível ligados por uma linha, de modo a examinar as diferenças entre as médias de

nível para os fatores significantes. A linha central, demarcada a picotado é a média global da

resposta, a dureza.

Fig. 55 - Gráficos fatoriais de efeitos principais apenas para os fatores significantes, resposta é a dureza.

Pela análise da Fig. 55 é possível observar que o fator Estufa é o que mais influencia a

variação da resposta final por final. Por oposição, o tempo é o que tem o impacto menor na

resposta, porém com significância, tal como visto anteriormente.

Seguidamente, realizou-se uma análise de variabilidade à resposta, de modo a

determinar quais os fatores que produzem resultados menos variáveis. Sendo que a

interpretação de dados é bastante semelhante à efetuada anteriormente, apenas se apresenta

o gráfico de pareto de efeitos pradonizados e os gráficos fatoriais de efeitos principais após

remoção dos fatores de menor significância, Fig. 56 e Fig. 57. Ressalva-se que na Fig. 56 são

70

apresentados os efeitos padronizados para o termos composição, estufa e temperatura

ambiente, pois a interação destes termos é significante, não podendo os mesmos ser excluídos

da análise.

Fig. 56 - Gráfico de pareto de efeitos padronizados, resposta é o desvio padrão (apenas termos

relevantes).

Fig. 57 - Gráficos fatoriais de efeitos principais apenas para os fatores significantes, resposta é o desvio

padrão.

Através da análise da Fig. 57, é possiível observar que o fator composição é o que

causa maior variabilidade e o fator temperatura ambiente é o que causa menor, dentro dos

fatores significantes. De modo a garantir uma baixa variabilidade do processo, as condições

ótimas seriam: utilizar uma temperatura ambiente de 40°C; utilizar um teor de cálcio de 0,07 %;

e utilizar a estufa. A nível industrial é comum utilizar os parâmetros que causam menos

variabilidade (entre os mais significantes), alterando o valor dos parâmetros que causam

menos variabilidade. No caso presente fixar-se-iam os valores descritos anteriores, alterando o

tempo de modo a atingir a dureza desejada, visto que o tempo é o fator que causa menor

variabilidade (daí não aparecer no gráfico de pareto de efeitos padronizados).

5.4.3.1 DOE: estudo estufa

Nesta etapa de análise optou-se por dar enfoque ao fator que mais influencia a dureza,

a temperatura da estufa (na realidade também se analisou a influência do tempo em estufa

nesta etapa processual). No caso presente optou-se pela realização de um DOE tipo fatorial

completo geral, utilizado quando os fatores assumem mais do que 2 valores (níveis).

O DOE seguidamente apresentado, foi realizado com 2 fatores, sendo que o fator

tempo em estufa, dado em horas, apresenta 3 níveis e o fator temperatura da estufa, dado em

°C, apresenta 4 níveis, Tabela 16. Nesta tabela é possível observar os valores definidos para

71

cada parâmetro estudado, sendo que é percetível que foram realizados 4 ensaios para cada

tempo em estufa, 1 h, 2 h e 3 h, totalizando 12 ensaios por replicação. Tendo em conta que se

realizaram 3 replicações, foram realizados 36 ensaios aleatorizados, sendo que em cada um

foram utilizadas 5 patilhas diferentes ([10]).

Tabela 16 - Sumário dos ensaios realizados e respetivas condições utilizadas, DOE estudo estufa.

testufa (h) 1 2 3

Testufa (°C)

40 55 70 90 40 55 70 90 40 55 70 90

Após introduzir os dados recolhidos no Minitab (tabela com os dados utilizados na

construção do DOE em Anexo B), realizou-se a análise dos mesmos, porém, esta é bastante

diferente da realizada em 5.4.1. Ao utilizar este tipo de modelo, o fatorial completo geral, é

comum construir regressões múltiplas (do inglês multiple regression) de modo a relacionar as

variáveis independentes com a dependente, a dureza neste caso. O Minitab consegue

relacionar entre 2 a 5 variáveis independentes com a variável de resposta, ajustando o melhor

tipo de regressão aos dados fornecidos, verificando-se que a regressão obtida, dada pela Eq.

(56), é do tipo linear. Além disso, o software analisa as variáveis de entrada considerando que

as mesmas são estatisticamente significantes (valor-p < 0,0001).

tTHBW 1451,117394,0869,130/25,6/5,2 (56)

Através do modelo dado pela Eq. (56) construiu-se a Tabela 17, na qual se observa a

dureza final obtida para diversos valores de tempo em estufa e temperaturas de estufa.

Tabela 17 - Dureza obtida para os diversos tempos em estufa, em horas, e temperaturas da estufa, dada

em °C.

t(h)/T(°C) 40 50 60 70 80 90

1 9,97 11,71 13,44 15,18 16,92 18,66

1,5 10,54 12,28 14,02 15,76 17,49 19,23

2 11,11 12,85 14,59 16,33 18,07 19,80

2,5 11,69 13,42 15,16 16,90 18,64 20,38

3 12,26 14,00 15,73 17,47 19,21 20,95

Apesar deste tipo de estudo não nos fornecer informações acerca da dureza ao fim das

48 h (tempo mínimo necessário que as armaduras devem permanecer em armazém), permite-

nos estudar o efeito que a estufa produz nas armaduras. Além deste estudo nunca ter sido

realizado na unidade fabril, este poderá ter implicações práticas bastante úteis, por exemplo na

otimização dos custos energéticos, visto que através da utilização de tratamento térmicos

diferentes é possível obter durezas semelhantes. Por exemplo, é possível verificar que tratar as

armaduras em estufa durante 3 h a 50 °C é semelhante a tratá-las 1,5 h a 60 °C. Além disso,

após ser definido um valor alvo para a dureza, é possível ajustar o plano de produção da

unidade fabril, de modo a torná-la mais eficiente.

72

Atualmente a estufa é utilizada 2 h a 70 °C, sendo que o modelo prevê que a dureza

obtida seja de 16,33 HBW 2,5/6,25/30. Para verificar se o modelo prevê eficazmente a dureza

final obtida após este tratamento térmico, realizaram-se 10 ensaios, cada um com 5 patilhas,

ou seja, foi avaliada a dureza de 50 patilhas no total. Os resultados obtidos experimentalmente,

através do uso do durómetro, encontram-se na tabela seguinte, a Tabela 18.

Tabela 18 - Dureza em HBW 2,5/6,25/30 para o tratamento térmico 2 h em estufa a 70 °C.

Medição Dureza

(HBW2,5/6,25/30) Medição

Dureza (HBW2,5/6,25/30)

1 17,15 6 15,00

2 16,28 7 15,11

3 15,23 8 15,26

4 15,98 9 15,67

5 16,17 10 15,30

Dureza média

15,72

Tal como é possível observar na tabela mencionada anteriormente, a média de dureza

obtida experimentalmente é de 15,72 HBW 2,5/6,25/30, valor considerado aceitável, visto que a

dureza é uma propriedade que pode apresentar muitas oscilações (utilizando a mesma

armadura é possível obter resultados de dureza bastante diferentes entre si, por exemplo).

Deste modo considera-se que o modelo construído descreve bem a realidade, mesmo não

considerando todos os fatores que influenciam esta propriedade.

5.4.3.2 Regressão linear de temperaturas

Após analisar a influência da estufa na dureza final, optou-se por analisar o segundo

fator que mais influencia a dureza, a temperatura ambiente. Assim, através da utilização de

estufas, presente no laboratório elétrico da Exide Technologies, Lda.

, foi possível simular a

temperatura ambiente, mantendo-a constante ao longo de 48 horas. Acessoriamente, e visto

que as estufas já estavam em utilização, resolveu fazer-se o mesmo estudo para armaduras

que sofreram o tratamento térmico já implementado, as 2 h a 70 °C. Do estudo realizado

resulta o gráfico da Fig. 58.

Fig. 58 - Regressão linear de temperaturas para armaduras tratadas ou não na estufa (t= 48 h).

0,00

3,00

6,00

9,00

12,00

15,00

18,00

21,00

0 10 20 30 40 50 60

Du

reza

(H

BW

2,5

/6,2

5/3

0)

T (°C) t = 48h t = 48h (com estufa)

73

Pela análise da figura Fig. 58, pode-se verificar que as armaduras tratadas em estufas

apresentam uma dureza bastante superior, independentemente da temperatura ambiente. A

dureza deste tipo de armaduras é incrementada pela utilização da estufa nas duas primeiras

horas, sendo que mesmo quando armazenadas a temperaturas reduzidas estas apresentam

dureza elevada. Por oposição, as armaduras que apenas foram mantidas a temperaturas

reduzidas não ganham dureza significativa no período em estudo. Como seria de esperar, com

o aumento da temperatura ambiente, as diferenças entre os dois tipos de amostra torna-se

mais ténue, visto que o aumento da temperatura ambiente aumenta a dureza final no produto.

Além disso, é possível fazer algumas comparações, sendo possível observar que uma

armadura que não sofreu qualquer tratamento térmico armazenada a uma temperatura

ambiente de 40 °C apresenta uma dureza semelhante a uma armadura que foi à estufa e foi

armazenada a uma temperatura ambiente de 15 °C.

Seguidamente apresentam-se as equações das regressões lineares criadas com e sem

estufa, Eqs. (57) e (58), respetivamente.

089,150661,0)(30/25,6/5,2 TTHBW (57)

8479,71959,0)(30/25,6/5,2 TTHBW

(58)

Após analisar as regressões lineares, optou-se por analisar a influência da temperatura

ambiente no empastamento, através da realização de 3 ensaios aplicando o mesmo método,

ou seja, o de manter a temperatura constante durante 48 horas, acompanhando a sucata

gerada. Acessoriamente, realizou-se 1 ensaio onde se submeteram as armaduras a tratamento

térmico de 2 horas em estufa a 70 °C, esperando 3 horas para as armaduras arrefecerem,

procedendo de imediato ao empastamento das mesmas (simulação hipotética de elevada

demanda de armaduras XP2.6+). Nestes 4 ensaios foram utilizadas 350 armaduras e outras

tantas que serviram de controlo (produção normal). Os resultados obtidos para os ensaios

descritos, encontram-se sumarizados na Tabela 19.

Tabela 19 - Influência da temperatura na geração de sucata, na secção do empastamento.

Teste Qtd. de

armadura Sucata

produzida

10°C s/ estufa 350 50

Controlo 350 0

15°C s/ estufa 350 7

Controlo 350 0

20°C s/ estufa 350 0

Controlo 350 0

2h estufa 70°C +3h 350 0

Controlo 350 0

Pela análise da Tabela 19 e cruzando os dados com o gráfico da Fig. 58, é possível

entender a sucata gerada nos ensaios realizadas a 10 e 15 °C, visto que a dureza destas

armaduras é inferior a 11 HBW 2,5/6,25/30. Tal como visto em 5.4.1, a dureza média no

74

empastamento é de 14,79 HBW 2,5/6,25/30, explicando a sucata gerada. A 20 °C a dureza

sobe ligeiramente e não houve produção de sucata, porém, é de salientar que apenas se

utilizaram 350 armaduras, não garantindo que para valores mais elevados de produção o

mesmo se verifique. Para o último ensaio realizado, também não houve geração de sucata e os

operadores ao manusearem as armaduras, estavam bastante confiantes que as armaduras

não iriam gerar sucata, o que se verificou.

Seria interessante ter repetido estes ensaios várias vezes e diversificar os ensaios

realizados, porém, a nível industrial existem prazos a cumprir e visto que o custo associado a

cada ensaio é elevado (matéria prima das armaduras é chumbo), não foi possível realizar mais

testes.

5.5 6σ — Melhorar

Como o nome da etapa sugere, devem encontrar-se soluções e respetivos custos e

benefícios, escolhidas aquelas com base na probabilidade de sucesso, no tempo de execução,

no impacto em recursos e, também, nos custos associados. Para tal efeito é comum: gerar e

hierarquizar ideias de soluções potenciais para a eliminação das causas fundamentais do

problema prioritário; avaliar e minimizar os riscos das soluções prioritárias; testar em pequena

escala as soluções selecionadas; identificar e implementar melhorias ou ajustes para as

soluções selecionadas; elaborar e executar um plano para a implementação das soluções em

larga escala, visto que as soluções implementadas em pequena escala só são implementadas

se demonstrarem sinais de sucesso.

Neste estudo, de modo a melhorar a qualidade do produto final a Exide Technologies,

Lda.

, optou por instalar a estufa em meados de abril. A introdução deste equipamento no

processo é visível no fluxograma de 5.2, Fig. 20, e alvo de estudo nas fases 5.3 e 5.4 da

presente Dissertação.

De modo a verificar a melhoria obtida, e tendo em conta que o problema que motivou

este estudo foi reduzir a sucata na zona do empastamento de tiradas, construi-se um gráfico de

barras, Fig. 59, cujos dados são compilados na Tabela 20.

Tabela 20 - Defeitos tirada XP2.6+, jan. a ago. de 2016.

Defeito/mês jan. fev. mar. abr. mai. jun. jul. ago.

Tiradas defeituosas - total 2806 1765 3036 1636 967 1254 1423 471

Tiradas defeituosas – caídas à saída do forno

845 657 1518 706 253 320 340 108

75

Fig. 59 - Defeitos tirada XP2.6+, jan. a ago. de 2016 (contorno a negro: uso da estufa).

Pela análise do gráfico da Fig. 59, é possível verificar uma melhoria enorme aquando

da introdução da estufa —barras com contornos a negro. De facto, a partir de maio, a sucata

reduz significativamente, sendo que a média global de sucata nos 4 primeiros meses do ano é

de 2311 unidades de sucata produzidas e nos 4 meses seguintes de 1029 unidades, uma

redução de 55,5 %. Se nos focarmos apenas no defeito em estudo, a redução é de 72,6 %,

sendo a média dos 4 primeiros meses de 933 unidades de sucata, passando para 256

unidades de sucata. Além disso, é de salientar que o defeito ―tiradas caídas à saída do forno‖

deixou de ser o mais comum nestes últimos meses, passando o defeito ―deformações‖ a

ocupar esse lugar. O defeito ―deformações‖, pode ter origem na fundição ou no empastamento,

porém não está relacionado com o fator estudado, a dureza.

Esta solução encontrada é uma opção muito viável visto que: a probabilidade de obter

sucesso é elevada; o equipamento, apesar de ser de grandes dimensões, já se encontrava na

fábrica, pelo que não houve dispêndio de capital; e o impacto no processo é reduzido, visto que

as armaduras têm de ficar 48 horas em armazém e este processo tem a duração de apenas 2

horas. Contudo, nesta fase, tal como descrito anteriormente, também é necessário atentar aos

custos e a estufa consome energia elétrica, sendo que num só ciclo de funcionamento, de 2

horas a 70 °C, esta consome 24,74 kWh, cabendo à unidade fabril equacionar a utilização da

mesma no futuro.

5.6 6σ — Controlar

Na última fase do ciclo DMAIC é implementado o controlo do novo sistema e das

melhorias realizadas, assegurando que as mesmas continuam a ser praticadas. Para tal efeito,

é comum: avaliar o alcance da meta em larga escala; padronizar as alterações realizadas no

processo em consequência das soluções adotadas; transmitir os novos padrões a todos os

envolvidos; definir e implementar um plano para monitorização do desempenho do processo e

do alcance da meta; definir e implementar um plano para tomada de ações corretivas caso

surjam problemas no processo; e resumir o que foi aprendido e fazer recomendações para

trabalhos futuros.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

jan. fev. mar. abr. mai. jun. jul. ago.

Qu

anti

dad

e d

e s

uca

ta

mês

Tiradas defeituosas - total Tiradas defeituosas - caídas à saída do forno

76

A melhoria implementada, tal como descrito em 5.5, foi a introdução da estufa. Numa

fase inicial, de modo a controlar a produção proveniente da estufa, ou seja, armaduras que

sofreram tratamento térmico, e a produção que não passou por esta etapa, assinalava-se no

lote de fundição a tinta permanente um aviso apenas para as armaduras que foram à estufa,

evidenciando-as das de produção normal. Esta métrica utilizada, apesar de simples, é bastante

eficaz, visto que era efetuada apenas por uma pessoa, o chefe de equipa da fundição,

responsável por colocar e retirar as armaduras da estufa, sendo que no final identificava os

estrados que sofreram tratamento térmico.

Numa fase intermédia do projeto, esta ação de melhoria e controlo expandiu-se a uma

gama mais vasta de armaduras, sendo que em meados de julho este tratamento já era utilizado

para 5 armaduras positivas. Assim, progressivamente, passaram a existir cada vez mais lotes

com o aviso de que tinham sofrido tratamento térmico, de modo a reduzir e controlar a sucata

em vários tipos de armaduras. Numa fase final, e comprovadas as melhorias, este tipo de

tratamento passou a ser estendido a toda a gama de armaduras positivas (apenas armaduras

positivas), sendo que o mesmo aviso era sempre colocado nos estrados da fundição, mais

concretamente no número de lote.

É certo que todos os estrados da fundição são identificados com o número de lote, hora

de produção, quantidade produzida, entre outras coisas. Também é certo que numa fase final

todas as armaduras sofriam o mesmo tratamento térmico na estufa, porém, a existência deste

aviso escrito a posteriori revela-se importante de modo a controlar efetivamente quais os

estrados que sofreram este tratamento. Caso o aviso fosse colocado no rótulo que identifica

cada estrado aquando da sua impressão, o operador responsável por colocar as armaduras na

estufa poder-se-ia confundir, sendo que podia colocar o mesmo lote várias vezes na estufa e

outros nenhuma vez, daí optar-se pela opção manual (com tinta permanente) e somente depois

do estrado sair da estufa.

Em relação aos outros parâmetros estudados, ou seja, a temperatura ambiente, a

composição (teor de cálcio) e o tempo após fundição, torna-se mais difícil criar métricas de

controlo.

O teor de cálcio utilizado varia sempre entre os 0,06 e 0,075 % (admitindo que o

processo não sai dos LE), sendo que não é muito recomendado ir além do ponto peritético da

liga Pb-Ca-Sn, pois as propriedades mecânicas da liga pioram consideravelmente, tal como

visto na Secção 3.4 da presente Dissertação. A medida de controlo apropriada é apenas

garantir que a especificação é cumprida, visto que a fábrica já trabalha muito perto do ponto

peritético (0,07 % (m/m) de cálcio).

Os outros dois fatores, na realidade variáveis, fazem com que a produção,

nomeadamente o empastamento, se adapte a estes. No inverno e verão as temperaturas são

completamente diferentes, levando a que no inverno as armaduras fiquem mais tempo em

armazém para evitar a produção de sucata. O cenário ideal de controlo seria dispor de um

armazém climatizado, de modo a evitar variações, e utilizar o stock existente pouco tempo

depois de o mesmo estar as 48 horas em armazém. A introdução da estufa serve como medida

77

de controlo para estes dois fatores, visto que através da inserção das armaduras na estufa a

unidade fabril passa a estar menos dependente da temperatura ambiente e do tempo em

armazém.

Por fim, de modo a garantir o controlo, é recomendado: utilizar apenas armaduras que

sofreram o tratamento térmico de 2 h a 70 °C; observar a sucata gerada por lote e, na

eventualidade de um lote gerar muita sucata, observar o dia de fundição, procurar por lotes de

datas diferentes, optando por empastar os lotes desse dia posteriormente (noutro dia se

possível); garantir que se empastam sempre os lotes que foram fundidos há mais tempo

(sendo que a dureza aumenta com o tempo, é expectável que exista menor produção de

sucata).

78

Conclusões e perspetivas futuras

O tema principal da presente Dissertação consiste na elaboração de um estudo

detalhado de dureza incidente nas armaduras XP2.6+, com vista à diminuição do defeito da

sucata —tiradas caídas à saída do forno— no empastamento de tiradas. O estudo teve

incidência preponderante na fundição e não na etapa subsequente, o empastamento, pois

admitiu-se que o problema encontrado no empastamento era proveniente da etapa processual

anterior, a fundição.

Numa etapa bastante inicial, e antes da chegada do dúrometro, ainda se realizaram

algumas medições genéricas na fundição —das temperaturas utilizadas, dos teores de cálcio e

estanho e espessura— e aferiram-se as capacidades do processo no empastamento, sendo

que o parâmetro que apresentou resultados menos positivos foi a espessura da tirada. Porém,

como o principal motivo das mesmas caírem ser o facto destas se deformarem e ficarem

completamente dobradas, associado ao facto do peso da tirada apresentar bons indicadores,

não se considerou este parâmetro muito relevante.

Após a chegada do durómetro, o principal equipamento utilizado ao longo do estudo,

este foi validado por um estudo M.S.A, no qual se obteve uma variação R&R de 14,67 % e 9

categorias distintas pelo sistema de medição. Sendo que o equipamento é utilizado em BD

para estudos semelhantes, os resultados obtidos não são de todo surpreendentes e com treino

dos operadores seria possível obter resultados tidos como ótimos (desvio inferior a 10 % e

mais de 5 categorias distintas).

Após a validação do equipamento de estudo, realizou-se uma análise mais estruturada,

definindo fatores influenciadores da dureza, restringindo-se o estudo aos mesmos (por uma

questão de tempo e praticabilidade). Para tal efeito, analisou-se em detalhe quatro parâmetros:

o tempo após fundição; a temperatura ambiente; a composição (teor de cálcio); e a introdução

da estufa.

Tal como explanado nas secções 5.4.1 e 5.4.2, começou por se estudar a influência do

cálcio, devido a duas razões: sabe-se que este elemento confere dureza ao produto final;

acreditava-se que o teor de cálcio era preponderante para a assegurar a qualidade final do

produto. Como visto nas secções mencionadas, conclui-se que o cálcio tem influência na

dureza final, visível na Fig. 50, porém, observa-se que a dureza ao final das 48 horas não é

muito diferente para as diversas categorias de cálcio criadas durante o estudo —diferença de

1,34 HBW2,5/6,25/30 entre a categoria de maior e menor cálcio.

Através do DOE inicial, onde se estudou a influência dos parâmetros acima descritos,

conclui-se que os fatores que mais contribuem para o aumento da dureza final são a

implementação da estufa e a temperatura ambiente, visível no gráfico de pareto de efeitos

padronizados, Fig. 53. Além disso, conclui-se ainda que os fatores que causam maior

variabilidade ao processo são a composição, o tempo após fundição e a estufa. Para garantir

uma baixa variabilidade, conclui-se que as condições ótimas são: utilizar uma temperatura

79

ambiente de 40 °C; utilizar um teor de cálcio de 0,07 %; utilizar a estufa; e variar o tempo (fator

que menos afeta a variabilidade) de modo a atingir a dureza alvo.

Posteriormente, realizaram-se dois estudos, incidentes na influência da estufa e na

temperatura ambiente, pois estes revelaram-se os fatores que mais influenciam a dureza.

Através destes dois estudos —um DOE e duas regressões lineares—criou-se um modelo

descritivo do comportamento da estufa e a regressão que retrata a dureza ao fim de 48 horas

em função da temperatura ambiente. Através do DOE (estudo estufa), conclui-se que o modelo

construído, a regressão múltipla, descreve bem a realidade, mesmo não considerando todos os

fatores que influenciam a dureza —comprovado pelo cruzamento de dados entre a Tabela 17 e

a Tabela 18. Através das regressões lineares (com e sem estufa), conclui-se que: as

armaduras tratadas em estufa apresentam uma dureza bastante superior, independentemente

da temperatura ambiente; a dureza deste tipo de armaduras é incrementada pela utilização da

estufa nas duas primeiras horas, sendo que mesmo quando armazenadas a temperaturas

reduzidas estas apresentam dureza elevada; as armaduras que apenas foram mantidas a

temperaturas reduzidas não ganham dureza significativa no período em estudo; e com o

aumento da temperatura ambiente, as diferenças entre os dois tipos de amostra torna-se mais

ténue, visto que o aumento da temperatura ambiente aumenta a dureza final no produto.

Referir ainda que, a etapa de melhoria implementada —a introdução da estufa—

permitiu reduzir a sucata significativamente, verificando-se uma redução de 55,5 % na média

global de sucata e uma redução de 72,6 % se nos focarmos apenas no defeito em estudo, ou

seja, ―tiradas caída à saída do forno‖, concluindo-se que a abordagem tomada foi correta.

Tendo em conta que a proposta de melhoria diminui a sucata mas consome energia,

seria interessante aferir se os custos energéticos suplantam as perdas por sucata (tempo e

capital), visto que, tal como descrito na secção 5.5.6, a estufa gasta por ciclo de funcionamento

24,74 kWh.

Caso o problema de geração de sucata se verifique no futuro, propõe-se: voltar a

realizar estudos de dureza nas armaduras e tiradas; estender o estudo a outros fatores, como

por exemplo, estudo da pressão exercida nos rolos de transporte, estudo das temperaturas dos

moldes, estudo da influência do caudal de refrigeração nos chuveiros; estudar detalhadamente

o funcionamento da linha 2 e 3 do empastamento, visto serem linhas ―gémeas‖; e

complementar este estudo com mais ensaios no empastamento.

Além disso, como proposta futura, seria interessante a unidade fabril ponderar adquirir

um durómetro, realizar mais ensaios, estender o estudo a diversas armaduras e definir um

valor alvo de dureza global ou por liga de chumbo. Deste modo poder-se-ia estabelecer uma

nova métrica de controlo com base nesta propriedade, sendo que atualmente é impossível,

visto a CH não dispor deste equipamento.

Apesar de moroso, seria ainda interessante, realizar ensaios de performance e vida às

baterias cujas armaduras passaram a ser tratadas em estufa, de modo a garantir que a

introdução da nova etapa processual não afeta a qualidade o desempenho das baterias

produzidas.

80

Referências

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Consultado em julho, de 2017 em: http://www.abepro.org.br/bibliotec

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[2] Exide Technologies EU & Villamar, S. R (Ed). Ensayo de Dureza. Büdingen

[3] Exide Technologies EU (2016). Lean Six Sigma Training. Guadalajara.

[4] Exide Technologies EU. Durometer German and English Test Procedure. Büdingen.

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(2008). Handbook for Stationary Lead-Acid Batteries (3ª Ed). Vols.

Part 1: Basics, Design, Operation Modes and Applications. Büdingen.

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(2008) Infotec. Castanheira do Ribatejo.

[7] Exide Technologies, Lda.

(2016) Manual de Integração e Acolhimento. Castanheira do

Ribatejo.

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Metallgesellschaft AG. Frankfurt.

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https://support.minitab.com/en-us/minitab/18/getting-started/designing-an-experiment/

[11] Minitab 17 Support. Process data for normal capability Analysis. Consultado em dezembro,

de 2017 em: https://support.minitab.com/en-us/minitab/18/help-and-how-to/quality-and-

process-improvement/capability-analysis/how-to/capability-analysis/normal-capability-

analysis/interpret-the-results/all-statistics-and-graphs/process-data/

[12] Minitab 17 Support. What is a gage R&R study?. Consultado em novembro, de 2017 em:

https://support.minitab.com/en-us/minitab/17/topic-library/quality-tools/measurement-

system-analysis/gage-r-r-analyses/what-is-a-gage-r-r-study/

[13] Pavlov, Detchko. (2011). Lead-Acid Batteries Science and Technology (1ª Ed). Elsevier.

[14] Pyzdek, T. (2002). The six sigma handbook (2ª Ed). McGraw-Hill

[15] Ross, Phillip J. (1988).Taguchi Techniques for Quality Engineering (1ª Ed). McGRAW-HILL.

[16] Vander Voort, George. (1999). Mettalography Principles and Pratices (1ª Ed). ASM

Internacional®. Nova Iorque.

[17] Vivekananthamoorthy, N., Sankar, S. (2011). Six sigma projects and personal experiences.

Intech. Rijeka.

81

Anexos

A. Fase Medir

Tabela 21 - Registo da hora, nível, temperaturas controladas, espessura, peso, teor de Ca e Sn, lote e operador, por dia para duas máquinas de fundição diferentes.

Dia 09-05-2016 Máquina

2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3

Hora 09h00 09h00 09h40 09h40 10h20 10h20 11h00 11h00 11h30 11h30 13h00 13h00 14h00 14h00 14h30 14h30 15h20 15h20 16h20 16h20

Nível 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13

Pa

râm

etr

os

[ºC

]

Conduta 478 485 479 481 505 486 482 489 481 486 484 483 482 484 476 479 481 480 486 485

Colher 531 538 530 529 528 530 529 531 530 530 535 531 530 530 528 529 536 530 535 530

Molde Sup. 204 211 204 216 201 210 210 211 212 209 200 212 205 210 210 211 203 215 213 210

Molde Inf. 207 195 207 213 201 207 210 215 210 208 203 215 206 210 209 207 210 215 212 210

Es

pe

ss

ura

[m

m] 1 2,605 2,554 2,538 2,565 2,574 2,551 2,611 2,563 2,607 2,576 2,623 2,56 2,609 2,559 2,613 2,569 2,608 2,567 2,576 2,586

2 2,527 2,558 2,623 2,558 2,525 2,547 2,522 2,566 2,5 2,594 2,54 2,587 2,534 2,609 2,569 2,612 2,532 2,543 2,568 2,556

3 2,584 2,542 2,545 2,557 2,563 2,572 2,555 2,463 2,574 2,57 2,586 2,523 2,587 2,568 2,587 2,572 2,588 2,533 2,551 2,54

4 2,566 2,532 2,522 2,559 2,543 2,557 2,582 2,55 2,592 2,52 2,606 2,537 2,608 2,527 2,63 2,548 2,618 2,548 2,589 2,577

5 2,557 2,51 2,529 2,564 2,547 2,516 2,577 2,513 2,591 2,52 2,584 2,498 2,583 2,513 2,623 2,543 2,596 2,529 2,554 2,54

Peso [g] 232,3 241,8 242,5 251,5 237,1 245,7 239,1 243,8 244,6 245 242,8 245,5 243,5 247,6 252,1 249,3 246,9 251,2 247 251,8

Ca [%] 0,0734 0,0727 0,0709 0,0726 0,07 0,0714 0,0691 0,0696 0,0697 0,0694 0,0723 0,0714 0,0718 0,0726 0,0725 0,073 0,072 0,0721 0,0718 0,0713

Sn [%] 1,32 1,31 1,31 1,31 1,32 1,32 1,31 1,31 1,31 1,31 1,31 1,31 1,31 1,31 1,31 1,31 1,32 1,31 1,31 1,32

Lote 910 911 910 911 910 911 910 911 910 911 910 911 910 911 910 911 910 911 910 911

Operador F. Marques

82

B – Fase Analisar

Tabela 22 - DOE: parâmetros influenciadores da dureza.

DOE - Hardness test

1st rep.

Composition t (h) Yes No

5 °C 40 °C 5 °C 40 °C

0,0735 24 17,41 18,13 9,18 14,97

48 18,19 17,07 10,23 16,06

0,0645 24 15,25 19,53 8,72 15,48

48 15,90 20,22 9,19 16,75

2nd rep.

Composition t (h) Yes No

5 °C 40 °C 5º 40 °C

0,0735 24 15,37 17,09 10,02 15,29

48 15,39 17,86 11,41 16,02

0,0645 24 15,79 16,25 9,67 14,14

48 15,65 17,29 10,69 14,95

3rd rep

Composition t (h) Yes No

5 °C 40 °C 5 °C 40 °C

0,0735 24 17,20 16,83 9,99 14,96

48 17,71 16,80 12,58 15,42

0,0645 24 15,46 16,27 11,23 14,11

48 16,31 16,43 12,12 15,12

83

Tabela 23 - DOE: estudo estufa.

DOE - Hardness test t (h) / T (°C) 40 55 70 90

1st rep.

1 9,55 13,32 14,87 18,47

2 11,19 14,15 17,15 20,18

3 11,82 14,92 17,39 21,18

2nd rep.

1 9,88 12,49 15,58 17,79

2 11,29 13,90 16,28 19,35

3 11,93 14,92 18,34 20,43

3rd rep.

1 9,79 12,97 15,36 18,75

2 11,40 13,16 15,23 20,27

3 12,18 14,66 17,44 21,12