Do protótipo à série: as etapas da industrialização

Industrializar é passar de um exemplar que funciona a uma produção repetível, com custo e qualidade controlados. O percurso tipo tem seis etapas, que por vezes se sobrepõem:

1. Enquadramento: função, restrições, volumes visados, custo-alvo, regulamentação aplicável.
2. Maqueta: validar a forma, o espaço ocupado, a ergonomia.
3. Protótipo funcional: validar o funcionamento real.
4. Conceção para o fabrico e escolha dos processos de série.
5. Ferramentas e pré-série: fabricar as ferramentas (moldes, ferramentas de corte, gabaritos) e produzir as primeiras peças com o processo de série.
6. Qualificação e lançamento da série.

As três primeiras etapas custam pouco e refazem-se com facilidade; as seguintes implicam investimentos difíceis de recuperar. Quanto mais cedo se descobre um erro, menos custa: é toda a razão de ser dos protótipos antes das ferramentas.

O que decidir logo no enquadramento

Fixe os volumes anuais previstos, a duração de vida do produto, o custo-alvo por peça, as normas ou regulamentações do seu setor e as cotas realmente críticas. Defina também, para cada etapa, o que permitirá decidir passar à seguinte: sem critérios de êxito escritos, um protótipo não prova nada e as iterações encadeiam-se sem fim.

A maqueta

Não precisa de funcionar. Serve para avaliar a forma, o espaço ocupado e a pega, e para discutir o assunto com as partes interessadas. Realiza-se em materiais de substituição, na maioria das vezes por impressão 3D, com espuma, madeira ou corte: é rápido e pouco dispendioso.

O protótipo funcional

Verifica o comportamento real: mecânica, térmica, estanquidade, montagem. É fabricado por maquinagem CNC, corte a laser de chapa ou impressão 3D, consoante a peça. Quando a função depende do material, escolha um processo próximo do da série: um protótipo impresso em resina não se comporta como uma peça injetada em poliamida. Para decidir entre processos, consulte a nossa comparação impressão 3D ou maquinagem CNC.

Escreva antes do fabrico o que este protótipo deve demonstrar e como o irá medir. Preveja várias iterações e tenha presente que uma peça maquinada à unidade com cuidado não prova que a série respeitará as mesmas tolerâncias. Uma oficina de prototipagem pode ajudar a enquadrar estes primeiros ensaios.

O DFM (design for manufacturing) adapta a conceção ao processo de série; o DFA (design for assembly) facilita a montagem. Alguns reflexos consoante o processo:

• Maquinagem: raios interiores compatíveis com as fresas, cavidades pouco profundas, tolerâncias apertadas limitadas às cotas funcionais.
• Chapa: raios de quinagem uniformes, furos afastados das dobras (ver o guia corte a laser e quinagem).
• Injeção de plástico: espessuras de parede regulares, ângulos de saída, nervuras em vez de sobreespessuras.
• Montagem: menos peças, fixações standard, formas simétricas ou dispositivos anti-erro, acesso para as ferramentas.

Quanto mais a quantidade aumenta, mais rentável se torna investir numa ferramenta para reduzir o custo unitário. O ponto de equilíbrio calcula-se facilmente: custo da ferramenta dividido pela poupança obtida em cada peça. Os limiares variam muito consoante a peça; este quadro dá a lógica geral.

Para as peças de plástico, consulte a competência transformação de plásticos. Peça orçamentos para várias quantidades: a curva de preços mostra onde a ferramenta se torna pertinente.

Atenção, por fim, à continuidade de material e de processo. Uma peça prototipada em alumínio maquinado e depois produzida por fundição, ou impressa e depois injetada, não tem nem a mesma estrutura nem as mesmas tolerâncias: refaça os ensaios-chave em peças provenientes do processo de série.

Moldes de injeção, ferramentas de corte ou de estampagem, gabaritos de soldadura, dispositivos de maquinagem, calibres de controlo: as ferramentas são muitas vezes a primeira rubrica de investimento e a mais demorada de obter. Três pontos merecem ser enquadrados desde o início.

• A margem de correção. Após os primeiros ensaios, corrige-se quase sempre a ferramenta. É mais simples retirar material do que acrescentá-lo: os fabricantes de ferramentas maquinam frequentemente primeiro com um pouco de material a mais.
• A duração de vida esperada, que depende do material da ferramenta e do material transformado: indique os seus volumes totais para que o fabricante de ferramentas dimensione em conformidade.
• A propriedade e a guarda. Quem é proprietário da ferramenta que financia? Onde é armazenada, quem a mantém e a segura, em que condições lhe é restituída, pode servir outro cliente? Estes pontos regulam-se por escrito, no orçamento ou no contrato. Consulte o nosso guia sobre a proteção dos desenhos e das ferramentas.

Nem tudo exige uma ferramenta pesada. Para volumes modestos, gabaritos modulares, dispositivos de maquinagem ou gabaritos impressos em 3D evitam muitas vezes um investimento que nunca seria amortizado.

A pré-série

É uma pequena série realizada com as ferramentas e o processo definitivos. Verifica a capacidade de produção, a montagem, as cadências e o controlo, e serve muitas vezes de suporte aos ensaios de validação (ambiente, resistência).

Inspeção do primeiro artigo (FAI)

Inspeciona-se completamente um primeiro artigo fabricado com o processo de série: todas as características do desenho são medidas, os materiais e os certificados são verificados, e tudo é registado num relatório. Este controlo está formalizado na aeronáutica (norma EN 9102).

PPAP

Proveniente do setor automóvel, o PPAP é um dossiê de homologação do processo de produção. Demonstra que o processo fabrica de forma repetível peças conformes: desenhos, resultados dimensionais, materiais, plano de controlo, análises de risco.

Estes referenciais só se impõem se o seu setor ou o seu cliente final o exigir. Nos outros casos, um relatório dimensional do primeiro lote e um plano de controlo simples bastam muitas vezes. Um laboratório ou uma oficina de controlo e metrologia pode realizar estas medições.

As durações variam enormemente: declinar uma peça maquinada existente demora bastante menos do que criar um produto moldado. Estas ordens de grandeza dão sobretudo o encadeamento.

O caminho crítico passa quase sempre pelas ferramentas. Lance em paralelo as compras de material específico e a preparação do controlo.

Para encurtar o calendário, limite o número de iterações com uma boa revisão de conceção, escolha, se possível, um parceiro capaz de realizar tanto o protótipo como a série, e preveja uma margem para as correções das ferramentas em vez de um calendário sem imprevistos.

• Congelar a conceção demasiado cedo, ou demasiado tarde. Demasiado cedo, fixam-se defeitos; demasiado tarde, atrasam-se as ferramentas.
• Validar com um protótipo não representativo: material, processo ou tolerâncias diferentes dos da série.
• Subestimar o acerto da ferramenta e os seus ciclos de correção.
• Esquecer os custos anexos: controlo, embalagem, logística, certificação.
• Mudar de fornecedor entre protótipo e série sem transmitir o know-how: desenhos atualizados, índices de revisão, relatórios de controlo.
• Deixar vagos os direitos sobre os desenhos e as ferramentas.
• Ignorar a incerteza sobre os volumes: uma produção de transição em pequena série evita investir demasiado cedo.