Planejamento estatístico de testes é ferramenta para a economia de custos e tempo na fundição

Com base em exemplos práticos, os autores deste trabalho mostram como o planejamento estatístico de testes pode aumentar o lucro e diminuir o prazo de entrega de fundidos com geometria complexa.


Udo Pohlman, Stefan Seifert

Data: 09/05/2017

Edição: FS Março 2017 - Ano - 27 No291

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A exigência de machos com geometria complexa é cada vez maior, especialmente quando o produto final são peças fundidas com espessura de parede fina. Para atender a requisitos deste tipo, os aglomerantes utilizados também são altamente solicitados

As janelas de processo tendem a ser mais estreitas, a produtividade aumentada (por motivos econômicos), e o ciclo de vida da peça mais curto. O resultado disso na prática é um maior número de problemas, particularmente na área de macharia.
Muitas vezes, exige-se dos colaboradores das fundições a solução do problema em curto prazo. Então, eles acabam recorrendo à sua experiência profissional e a testes do tipo tentativa e erro.
No entanto, em muitos casos não é possível encontrar uma solução rápida por este método, considerando-se inclusive a redução de custos desejada. Como último recurso, o fundidor recorre ao seu fornece dor de aglomerantes e também a um sistema modificado para esta finalidade.
A otimização ou mesmo a adaptação de um novo aglomerante geralmente não é viável em um espaço de tempo pequeno, devido aos rígidos processos de liberação predeterminados nos acordos de qualidade, o que leva o fundidor a buscar soluções alternativas.
Na área do desenvolvimento de aglomerantes químicos, há alguns anos já são utilizados programas estatísticos para questões deste tipo. O módulo de planejamento estatístico de testes é baseado na variação e interações de vários fatores ao mesmo tempo, con trariamente ao procedimento em que se varia um fator em uma série de testes

Para isso, são estabelecidos os chamados planos de teste, que devem considerar o seguinte:

Os planos para os problemas de fundição geralmente são denominados planos de teste de fatores parciais (planos de classificação). Eles possibilitam o exame simultâneo da influência de muitos fatores, com um número relativamente pequeno de testes
O objetivo é reconhecer os fatores significantes, aplicando poucos recursos e dentro de um prazo de tempo pequeno.

Para entender, vamos tomar o exemplo de uma fundição que pretende reduzir os tempos de fabricação dos machos em pelo menos 10%, para assegurar uma produção econômica. Para isso, os fabricantes de machos devem considerar dez fatores:

Esta seleção com dois estágios (determinação dos limites inferior e superior) representa um plano de fatoração de testes completo, com 2 10 possíveis combinações, ou seja, 1.024 testes.

Consideração das interações

Fig. 1 – Resultados da redução da aderência (Fonte: tese de doutorado de Stefan Seifert/teste de diplomação de Bastian Gröger)

Na prática, é possível começar com 32 testes (planejamento de testes com fatoração parcial) e duplicar o escopo conforme o tamanho do efeito, visando a uma boa resolução das interações entre os fatores.
O objetivo é reconhecer qual dos fatores escolhidos é significante com a aplicação de poucos recursos e dentro de pouco tempo, ou seja, alterar as variáveis de saída do processo.
Quando existem efeitos substanciais, eles podem ser utilizados para manter as dispersões do processo ao redor do valor médio predefinido. Além disso, as violações dos limites inferiores e superiores do processo são menos prováveis.
No caso do deslocamento dos valores de processo individuais no sentido dos valores com limite definido, é possível efetuar a correção no sentido do valor médio, por meio de parâmetros de interação.
Os planos de mistura representam um caso especial no planejamento estatístico de testes. Neste caso, a soma de todos os componentes sempre resulta em 1.
No caso de um sistema de quatro componentes, inicialmente é necessário assumir um valor de 100% para cada componente individual e de 0% para os outros três.
Desta forma, são obtidos quatro resultados de medição, independentemente das interações que representam a ponderação em um polinômio de primeiro grau.
Quando o usuário tenta transferir o polinômio determinado nestes testes para valores intermediários (misturas), ele é obrigado a aceitar desvios maiores entre os valores de teste calculados e os medidos.

Para se obter um prognóstico mais preciso, é necessário ampliar o polinômio com outros termos que considerem as interações dos componentes individuais:

A ampliação para um polinômio de segundo grau permite a obtenção de resultados calculados quase exatos, em comparação com os valores de medição obtidos, mesmo considerando-se as interações entre os componentes individuais.
Um exemplo prático revelou que para a otimização das resistências imediatas (resistência do macho após a preparação da areia), com o auxílio de um plano de mistura de duas matérias-primas com uma resina de resolCO2 , é possível alcançar vários valores máximos, com diferentes proporções de mistura.
Desta maneira, o fundidor e o fabricante do aglomerante são capazes de desenvolver um aglomerante mais econômico e ecológico.
Com o auxílio de exemplos práticos do dia a dia das fundições, a seguir será demonstrado que é sim possível a obtenção sistemática de melhores resultados para a alta segurança do processo e uma fabricação econômica.
No primeiro exemplo prático, visavam-se maiores resistências à flexão imediatas para machos produzidos por meio do processo resol-CO2 (Carbophen), utilizando uma quantidade de aglomerante constante (tabela 1).
De acordo com as especificações do cliente, foi possível efetuar a variação de cinco parâmetros dentro dos limites específicos da fundição.


A composição das séries de misturas da areia de macho foi mantida constante:

Foram realizados 32 exames em um plano de testes de classificação, com dois estágios por parâmetro (limites superior e inferior). Com isso, foram determinados valores de medição entre 54,3 e 121,7 N/cm2 .
O tempo de gasagem exerce uma influência significativa, enquanto a pressão de sopro exerce uma influência secundária sobre as resistências imediatas.
O intervalo escolhido para o tempo de gasagem produz o maior efeito, sobrepondo os efeitos dos outros parâmetros.
No segundo exemplo, uma fundição de alumínio em moldes permanentes apresentou problemas com relação às deformações dos machos da camisa d’água, quando da utilização de aglomerantes inorgânicos (Cordis).
O objetivo dos exames era reduzir a deflexão destes machos, devido à espessura de parede fina.
As especificações do cliente permitiram a variação de sete parâmetros dentro dos limites específicos da fundição (tabela 2).
Inicialmente, a solicitação térmica do material de moldagem inorgânico foi analisada em escala laboratorial, com o auxílio de corpos de prova padrão, tratados em um forno tubular aquecido a 500°C.

Para esta tarefa, foram realizados 35 exames em um plano de testes de classificação, com dois estágios por parâmetro (limites superior e inferior). Comisso, foram de terminados valores de medição entre 0 e 2,03 mm.
A avaliação do teste por meio do diagrama de Pareto determina os parâmetros com maior efeito, que influenciam a deformação tanto de modo positivo como negativo.
A variação do aglomerante apresentou a maior influência neste exemplo prático, seguida pela temperatura da caixa de macho e pelo tempo de gasagem.
Somente com a variação da porcentagem do aglomerante (Cordis) ou do aditivo (Anorgit), dentro dos valores limites admissíveis, foi possível obter machos com baixa deformação e alta estabilidade térmica.
O aumento da temperatura da caixa de macho, que também foi possível para reduzir a deformação, não foi realizado em razão dos custos da energia.
Em seguida, estes resultados de laboratório deveriam ser analisados em condições práticas, por meio do sopro de um macho de teste delgado, com dimensões de 290 x 22,4 x 11 mm.
A fundição reproduziu todos os testes usando os machos em moldes permanentes, confirmando que a proporção de aglomerante/ aditivo em torno de 1:1 foi a que apresentou a menor tendência à deformação.
Estes resultados foram confirmados na fundição em série de cabeçotes de cilindro.
Outro planejamento estatístico de testes tratou da aderência da areia na utilização de machos inorgânicos, o que configura um problema nas fundições de alumínio em moldes permanentes.
A solução desta questão só é viável pela otimização das frações granulométricas individuais (deslocamento das curvas granulométricas).
Para esta finalidade, o fornecedor de areia disponibilizou seis frações granulométricas peneiradas depois da classificação hidráulica (tabela 3).
Neste exame, em primeiro lugar devem ser variadas todas as frações granulométricas disponíveis na faixa de 0 a 100 %, indep endentemente da rentabilidade. No total, for am examinadas 39 proporções de mistura.

A mistura da areia de macho foi mantida constante, com uma proporção de 2,4% (em peso) do aglomerante Cordis e 2,4 % (em peso) do aditivo Anorgit.
Como critério de teste, a liga da série do cabeçote de cilindro foi fundida a 725°C, na geometria de teste escolhida.
A aderência da areia obtida nas peças fundidas foi dividida em classes de 1 (sem aderência) a 10 (forte aderência).
Foi constatada a influência marcante da pressão metalostática sobre a tendência à aderência da areia, pois as partes mais baixas do fundido apresentaram aderências maiores.
Para constatar se as frações granulométricas otimizadas também eram apropriadas para o emprego prático em séries grandes, os parâmetros relevantes para a fabricação dos machos foram determinados paralelamente (tabela 4).
Simultaneamente aos testes sistemáticos via planejamento estatístico, também foi realizada a otimização empírica (tentativas e erros) por parte da fundição, com o auxílio de séries de misturas de areia disponíveis no mercado (figura 1).
Em comparação com a série de areia utilizada até o momento na fundição (nota de aderência 6), foi possível alcançar, pelo método empírico, uma redução da tendência à aderência para a nota 3.


Os exames sistemáticos com o auxílio das amostras de pico possibilitaram outra redução para a nota 2.
Assim, a otimização empírica possibilitou apenas um resultado, enquanto a avaliação estatística dos testes resultou em uma janela de processo em relação à nota de aderência.
Com base no grande número de bons resultados, o cliente conseguiu determinar a curva granulométrica mais econômica.
No último exemplo, era necessário reduzir o tempo de ciclo de fabricação de machos pelo processo cold-box em uma fundição de aço, por meio da redução da duração da gasagem. Para isso, foi escolhido um macho de teste maciço, para a otimização da reatividade. Ele deveria ter peso mínimo de 2 kg.
Foram realizados 17 exames em um plano de testes de fatoração parcial, com dois estágios por parâmetro (limites superior e inferior). Neste caso, foram obtidos machos com 913 g a 2.370 g (tabela 5).
A avaliação por meio do diagrama de Pareto mostrou que todos os parâmetros escolhidos apresentaram efeitos distintos.
Desta maneira, ficou evidente que a quantidade de aglomerante é o parâmetro que exerce o efeito mais negativo sobre a reatividade.
Na fabricação seriada, é necessário compensar isso com o aumento da duração da gasagem.
Portanto, é preciso escolher a menor quantidade de aglomerante tecnicamente possível para a obtenção de uma fabricação econômica, reduzindo ao máximo o tempo de ciclo da fabricação dos machos.
Uma linha adutora bem isolada e aquecida do aparelho para a placa de gasagem (no caso deste arranjo de teste, uma mangueira com aquecimento elétrico), também exerce um efeito muito positivo sobre a reatividade.
Pelo aquecimento da linha adutora para 130°C, foi possível reduzir a duração da gasagem em aproximadamente 20%, em relação aos ajustes das séries anteriores
Os exemplos apresentados revelaram a possibilidade de se alcançar melhoramentos do processo por meio do planejamento estatístico de testes. Eles garantem economias de custo e de tempo para o usuário.

No entanto, é sempre necessário observar as seguintes condições periféricas:

Quando todos estes fundamentos são atendidos, a otimização do processo é realizada mais rapidamente do que pelo princípio de tentativas e erros.
Além disso, as interações entre os parâmetros resultam em um processo mais econômico do ponto de vista dos custos.
Se os planos de testes forem realizados corretamente, cada alteração feita no processo possibilita a previsão dos resultados esperados, dentro dos limites definidos.