Desenvolvimento de Produto

Anonimizado: realizado para um fabricante português apresentado aqui como “o fabricante”. As figuras são ilustrativas e não contêm dados de cliente nem detalhe de produto identificável.

O desafio

Com a estratégia de produto definida (ver o caso de estudo complementar, Custear a estratégia antes de investir em ferramentas), a válvula de descarga ainda tinha de ser desenhada, prototipada e comprovada. O alvo era uma norma europeia exigente, a EN 14055, que define janelas de aceitação tanto para a descarga cheia como para a reduzida — regidas por efeitos hidráulicos (flutuabilidade, tensão superficial, o efeito de pistão do flutuador) difíceis de prever a partir dos princípios físicos por si só. Errar o mecanismo significa falhar a norma, ou entregar água a mais ou a menos em cada descarga, durante toda a vida do produto.

O que fizemos

Ideação, modelação e prototipagem — um modelo hidráulico paramétrico calibrado para guiar o design, iteração em CAD sobre um mapa de versões vivo, e protótipos impressos em 3D testados em água em poucos dias.
DOE, causa raiz e ensaios laboratoriais — uma experiência fatorial 2³ e análise de causa raiz conduzidas na nossa própria bancada, seguidas de um modelo de regressão e uma otimização face à norma europeia de descarga.

Abordagem

1 — Ideação, modelação e prototipagem

Passámos do problema ao hardware em ciclos curtos. Definimos os objetivos funcionais — os volumes de descarga cheia e reduzida exigidos pela norma europeia — e ideámos os mecanismos para os atingir.

Para guiar o design em vez de adivinhar, construímos um modelo hidráulico paramétrico da válvula — volumes, caudais, flutuabilidade, peso e tempo — e calibrámo-lo com medições de bancada. O modelo prevê como cada alteração geométrica move o volume de descarga (subir o flutuador, estreitar um tubo, deslocar o ponto de equilíbrio), pelo que as decisões de design foram tomadas com base em conhecimento físico, não por tentativa e erro.

O modelo hidráulico paramétrico (linha) calibrado com medições de bancada (pontos): volume descarregado ao longo de uma descarga completa. Uma vez calibrado, previu o efeito de cada alteração de design antes de qualquer peça ser impressa.

Depois iterámos em CAD sobre um mapa de versões vivo e imprimimos em 3D cada candidato para o testar em água em poucos dias — diâmetros de tubo, volumes de flutuador, cones de vedação, contrapesos — mantendo o que funcionava e arquivando o que não funcionava. Passadas várias gerações de protótipos, a descarga cheia estava no alvo e o design consolidava-se em torno de menos peças, mais simples.

Peças impressas em 3D, embaladas e identificadas, de sucessivas iterações de design, junto a dois mecanismos de válvula montados e um portátil. — Sucessivas iterações de protótipos impressos em 3D, cada saco com uma configuração em teste — diâmetro do pino, diâmetro do furo — identificado e seguido geração a geração.

2 — Provar: DOE, causa raiz, e a nossa própria bancada

Quando os primeiros protótipos ficaram aquém do alvo de descarga, não adivinhámos. Fizemos uma análise de causa raiz, mapeando todos os contribuintes para o volume de descarga — caudais, flutuabilidade, peso, e efeitos dinâmicos como a tensão superficial e o efeito de pistão do flutuador — e testámos os suspeitos um a um.

Para determinar o que realmente controla a descarga, desenhámos uma experiência fatorial 2³ — três fatores (nível de água no depósito, janela de descarga cheia, janela de descarga reduzida), oito ensaios — e corremos todos os testes nós próprios numa bancada, cronometrando cada descarga e medindo o volume e caudal descarregados à mão. Esta é a parte que a maioria das consultoras terceiriza ou salta; nós fizemos o trabalho.

Um mecanismo de válvula de descarga montado dentro de um invólucro de acrílico transparente sobre uma estrutura de madeira, ligado a uma linha de alimentação de água. — A nossa própria bancada de ensaio — um invólucro transparente à volta da válvula para que cada descarga pudesse ser observada e cronometrada diretamente, ligado a uma alimentação de água ao vivo.

Efeitos principais da experiência 2³. O nível de água domina ambas as descargas; a janela de descarga cheia tem um efeito secundário apenas na descarga cheia. As interações de ordem superior foram negligenciáveis — o sistema é essencialmente linear.

Como os efeitos eram essencialmente lineares, ajustámos um modelo de regressão — um ajuste perfeito no design ortogonal — e usámo-lo para correr milhares de descargas virtuais. Pontuando cada regulação pela distância às janelas de aceitação da norma, uma pesquisa de Monte-Carlo encontrou a regulação mais próxima da norma.

Cada descarga representada como volume cheio vs reduzido, face às janelas de aceitação da norma. De 3.000 regulações virtuais, o modelo localizou uma única regulação dentro de ambas — descarga cheia e reduzida satisfeitas em simultâneo.

O resultado é uma decisão de produto: uma única regulação de fábrica pode satisfazer tanto a variante de 6/3 L como a de 4/2 L — menos códigos de produto, montagem mais simples, e um caminho para eliminar por completo as janelas de ajuste.

Resultado

Levámos o produto escolhido a um protótipo validado e conforme com a norma, e deixámos ao fabricante um modelo calibrado que lhe permite otimizar regulações sem voltar à bancada. Este trabalho de engenharia seguiu-se diretamente a uma análise tecno-económica anterior que selecionou a estratégia de produto — ver o caso de estudo complementar, Custear a estratégia antes de investir em ferramentas.