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ENGENHARIA SIMULTÂNEA E SUA APLICAÇÃO NA INDÚSTRIA NAVAL

Exemplar 12      sp;         Out-Dez 2004

Publicado na revista O Periscópio nº 58/2004 - Autores: CF (EN) Carlos Luiz Pimentel (Base Naval de Natal) e Prof. Dr. Oscar Brito Augusto (Dep. Engenharia Naval e Oceânica –USP)

 

Introdução

A globalização tem elevado sobremaneira o nível de competição entre as empresas, forçando-as a lançar novos produtos em intervalos cada vez menores.

Desta maneira, torna-se uma questão de sobrevivência a redução do tempo gasto no ciclo de desenvolvimento de novos produtos, acrescentando ainda a necessidade de produzí-los com elevada qualidade, dentro de padrões internacionais e com drástica redução de custo.

A indústria naval se insere nesse contexto de alta competitividade, tendo um mercado atualmente dominado pelos países asiáticos, que produzem com rapidez, qualidade e baixo custo, quando comparados com o restante do mundo.

Os sistemas navais, caracterizam-se por necessitarem, em geral, de longos ciclos de desenvolvimento. O ciclo de desenvolvimento ou projeto é, seguramente, um dos mais importantes, se não o mais importante, determinante (driver) do custo final de um sistema.

A filosofia da Engenharia Simultânea, com seus objetivos de redução do ciclo de desenvolvimento, garantia da qualidade e diminuição do custo final, dentre outras teorias, surge como uma alternativa para a indústria de construção naval do mundo ocidental, que busca competir com os países asiáticos pelas encomendas que nos últimos anos têm crescido, devido ao incremento do comércio internacional, como também devido a expansão da área de offshore.

Definição de Engenharia Simultânea

Engenharia Simultânea (ES), ou mais modernamente, Desenvolvimento Integrado de Produto e Processo (Integrated Product and Process Development - IPPD) é uma filosofia que na verdade envolve mais do que Engenharia. No início o objetivo era o projeto simultâneo do produto e dos respectivos processos de manufatura. O objetivo cresceu passando a incluir todas as etapas do ciclo de vida do produto, desde a sua concepção até a sua retirada de serviço, sua destinação final, após transcorridos seu período de vida útil (BENNETT; LAMB, 1995).

Assim como o "Just-in-Time", a Engenharia Simultânea é uma filosofia e não uma tecnologia. Engenharia Simultânea usa tecnologia para atingir seus objetivos (BENNETT; LAMB, 1995).

O principal objetivo da Engenharia Simultânea ou Desenvolvimento Integrado de Produto e Processo é a diminuição do tempo desde o pedido até a entrega, para um novo produto, com custo mais baixo e maior qualidade. Isto é alcançado através do desenvolvimento paralelo, ao invés de seqüencial, das diferentes etapas que compõem o Projeto do Produto, com o emprego de times ou equipes multidisciplinares ("cross-functional teams") (BENNETT; LAMB, 1995). Segundo Syan (1994), estes times devem conter pessoas de vários departamentos da empresa, como mostrado na figura 1, incluindo os principais fornecedores e clientes.

Figura 1 - Composição de um time de desenvolvimento multidisciplinar - Baseada em Syan (1994)

Entre as várias definições de Engenharia Simultânea pode-se citar a do "Institute of Defense Analysis" (IDA) dos E.U.A. (BENNETT; LAMB, 1995):

"Engenharia Simultânea é uma abordagem sistemática para o projeto integrado e concorrente de produtos e de seus processos relacionados, incluindo manufatura e suporte. Esta abordagem intenciona provocar que os desenvolvedores, desde o início, considerem todos os elementos envolvidos no ciclo de vida do produto desde a sua concepção até o seu descarte, fim de sua vida útil, incluindo qualidade, custo, prazos e os requisitos dos clientes" (WINNER et al., 1988).

A definição do "Concurrent Engineering Research Center" (CERC).

"Engenharia Simultânea é uma abordagem sistemática para o desenvolvimento integrado de um produto e os processos relacionados, que enfatiza a responsabilidade para com as expectativas do consumidor e incorpora os valores de cooperação dos times, confiança e compartilhamento, de uma maneira tal que a tomada de decisões se processa com largos intervalos de trabalho paralelo, englobando todas as perspectivas do ciclo de vida do produto, de uma maneira sincronizada, por meio de diálogo para obtenção de consenso" (CERC, 1992).

Como visto acima, idealmente, a Engenharia Simultânea envolve todos os participantes no desenvolvimento do produto, incluindo o cliente e os fornecedores, em um ambiente de time, desde o início e ao longo do projeto do produto e dos processos relacionados.

Conceitos básicos da Engenharia Simultânea já eram aplicados por empresas ocidentais no início dos anos 80, no entanto, a primeira definição formal, apresentada acima, surgiu com o trabalho de Winner et al. (1988). A abordagem tem sido usada por muitas companhias, em vários países. A experiência tem mostrado, que, se aplicada de maneira adequada levará ao atingimento dos objetivos citados nas definições acima (BENNETT; LAMB, 1995).

Método tradicional (seqüencial) de desenvolvimento de produtos versus a abordagem de Engenharia Simultânea

O processo tradicional ou seqüencial de desenvolvimento de produtos, também conhecido pela expressão em inglês "over the fence" ou "over the wall", que significa "sobre a cerca" ou "sobre o muro", é baseado na organização departamental, o que não favorece a integração entre as unidades funcionais, uma vez que cada departamento ou setor responsável por determinada etapa do projeto, trabalhando estanque ou independente dos demais, tende a preocupar-se somente com suas atividades específicas, e não existe um responsável pelo desenvolvimento como um todo. A figura 2 apresenta um exemplo de desenvolvimento seqüencial.

Figura 2 - Exemplo de desenvolvimento seqüencial de produtos

As etapas de desenvolvimento apresentadas na figura 2 são apresentadas à seguir: as duas primeiras fases – desenvolvimento do conceito e planejamento do produto – incluem informações de oportunidades de mercado, possibilidades técnicas, e requisitos da produção que devem ser combinados para se definir a arquitetura do novo produto. Isto inclui seu projeto conceitual, mercado alvo, necessidades em investimentos e viabilidade econômica. Para a aprovação do programa de desenvolvimento do produto, o conceito deve ser validado através de testes e discussão com potenciais clientes.

Uma vez aprovado, o projeto entra na fase detalhamento da engenharia de produto e processo. Esta fase envolve o desenvolvimento do projeto, a construção de protótipos e o desenvolvimento de ferramentas e equipamentos a serem utilizados na produção em larga escala. O detalhamento de engenharia envolve o ciclo "projetar – construir – testar". Os produtos e processos gerados no conceito são incorporados em um "modelo de trabalho", que é submetido a testes que simulam o produto em uso. Caso ocorram problemas, alterações são buscadas e implementadas de modo a melhorar o projeto, e o ciclo "projetar – construir – testar" é repetido, até atingir a maturidade necessária para início da produção piloto. A conclusão desta fase de detalhamento da engenharia é marcada pela liberação da versão final, que indica que o projeto está pronto para iniciar uma produção piloto.

Na fase de produção piloto os componentes individuais são construídos e testados os meios de produção. Durante esta fase, são produzidas muitas unidades do produto com o objetivo de testar os planos de processo nos níveis de produção comercial. A conclusão desta fase indica que todo o ferramental e equipamentos estão prontos, incluindo os fornecedores de peças/equipamentos, estando assim o produto pronto para início da produção comercial.

A fase final do desenvolvimento é o aumento da produção. Isso envolve o refinamento do processo de produção, que deve ser testado para operar com um alto nível de produção. Nesse momento, a empresa inicia a produção em um nível relativamente baixo, e assim que a organização e seus fornecedores desenvolvem confiança em sua capacidade de produção e comercialização, vai-se aumentando seu volume até atingir as metas planejadas de produção, custo e qualidade.

Um departamento ao executar a etapa que lhe corresponde, "passa adiante", ou "joga sobre a cerca ou muro" (over the wall), para o próximo departamento, os documentos e/ou desenhos gerados, para que seja dada continuidade aos mesmos.

O início de uma etapa está condicionado à conclusão de uma etapa anterior, tendo como conseqüência o fato de que qualquer problema encontrado em alguma etapa do projeto, irá provocar um retorno à etapas anteriores, ocasionando atrasos na conclusão do projeto.

As diferentes visões descritivas, utilizadas pelas várias unidades organizacionais envolvidas no desenvolvimento, resultam em bases de dados independentes, separadas em vários sistemas e plataformas de hardware, conforme apresentado na figura 3.

A descrição geométrica do produto, por exemplo, é armazenada na base de dados do sistema CAD, enquanto que a estrutura de produto e os planos de processo macro, gerados em uma fase posterior, são armazenados na base de dados do sistema de planejamento da produção.

Figura 3 - Fragmentação dos dados de produto no desenvolvimento seqüencial (ZANCUL, 2000)

A abordagem da Engenharia Simultânea é focada em três preocupações: a integração antecipada e coordenada entre as áreas de conhecimento relevantes ao desenvolvimento de produtos, organização da equipe sob o prisma de multidisciplinaridade e dedicação integral ao projeto e, enfoque sobre as necessidades do cliente. Esta abordagem busca alcançar os seguintes objetivos: menor tempo de desenvolvimento do produto; menor custo; e aumento da qualidade do produto final.

O paralelismo (simultaneidade) na execução das etapas de desenvolvimento de produtos ocupa uma posição de destaque no contexto da Engenharia Simultânea, uma vez que é fundamental na redução do ciclo de desenvolvimento de produtos, reduzindo desta maneira o time-to-market (tempo transcorrido desde a detecção da necessidade, até a introdução de um novo produto no mercado) o que constitui uma importante vantagem competitiva. Para tal é vital que haja a integração entre áreas de conhecimento, mediante a constituição de equipes multidisciplinares (figura1).

O paralelismo (simultaneidade) bem como a integração, entre as diversas áreas envolvidas nas etapas de desenvolvimento é representado na figura 4.

Figura 4 - Desenvolvimento Simultâneo (paralelo e integrado) do Produto

A estratégia de simultaneidade, com o emprego de equipes multidisciplinares, fornece uma oportunidade para tratar antecipadamente, no processo de desenvolvimento, de fontes de conflitos entre agentes do desenvolvimento, que representam os pontos de vista de diferentes áreas: projeto do produto, marketing, fabricação, logística, operação, etc.

O custo tende a ser reduzido sobremaneira, principalmente devido à participação do pessoal de produção nas equipes multidisciplinares, desde o início do desenvolvimento, de modo que participando no desenvolvimento, contribuem para que, quando da fabricação, não seja detectada a necessidade de correções no projeto (reprojetos), que ocasionam não atrasos no lançamento de produtos, que representam elevado custo em um mercado competitivo, como também evitam os elevados custos que representam as alterações de projeto, que aumentam drasticamente à medida que o projeto se aproxima da etapa de produção, pois quanto mais próximo desta etapa, maior é a quantidade de itens integrados, e conseqüentemente maior é a quantidade de interfaces que necessitam de revisão em função de alterações a serem introduzidas.

A figura 5 apresenta o custo de alterações ao longo do desenvolvimento, comparando a abordagem de desenvolvimento serial e a abordagem de Engenharia Simultânea. Esta figura mostra que a Engenharia Simultânea, com o emprego das equipes multidisciplinares de projeto, busca concentrar o maior número de alterações na etapa de concepção, onde o custo é muito baixo, ao contrário da abordagem tradicional (serial), que concentra elevado número de alterações na etapa de desenvolvimento de produto e de processo, quando o custo é bem mais elevado. A abordagem tradicional apresenta ainda grande número de alterações na fase de produção/operação, onde o custo é extremamente alto, ao contrário da ES que apresenta número bastante reduzido de alterações nesta etapa

Figura 5 - Custo das alterações de projeto, Baseada em OUSD, 1998.

A participação do cliente (armador na indústria naval) nas equipes multidisciplinares, desde o início, é importante na medida em que permite um perfeito entendimento, por parte da equipe multidisciplinar, dos requisitos que o produto deve satisfazer, bem como o cliente pode ser assessorado com relação a requisitos conflitantes, que possam trazer como conseqüência degradação na operação do produto final, ocasionando insatisfação por parte do mesmo. Deste modo, esse entendimento provoca, desde o início, um desenvolvimento contínuo, sob uma estrutura sólida (requisitos do produto), perfeitamente compreendida e edificada à “quatro mãos”.

Na aplicação da Engenharia Simultânea é fundamental que as equipes multidisciplinares de projeto “ataquem” todos os aspectos do desenvolvimento de forma paralela e concorrente, em contraste com o processo tradicional (over the wall), resultando com isso na necessidade imperiosa de maior integração entre os dados do produto. Tais informações devem estar localizadas em uma base de dados única, conforme mostrado na figura 6, ao invés de se encontrarem fragmentadas, como no caso do desenvolvimento seqüencial (mostrado na figura 3). A integração das informações do produto, mostrada na figura 6, permite que todos os membros da equipe tenham acesso a informações atualizadas e comuns a todos, facilitando o processo decisório e diminuindo os riscos de decisões baseadas em informações desatualizadas.

Figura 6 Integração dos dados do produto par apoiar a Engenharia Simultânea.

A abordagem da Engenharia Simultânea conduz a melhores projetos, que buscam atender perfeitamente os requisitos dos clientes (armadores na indústria naval); com aumento da qualidade e da confiabilidade, além de propiciar à alta gerência e aos gerentes de projeto um melhor controle dos custos envolvidos.

Estas vantagens podem ser quantificadas com os dados constantes da tabela  I.

Tabela I Resultados obtidos pela implementação da Engenharia Simultânea

Tempo de desenvolvimento do projeto 30 a 70% de redução
Alterações do Projeto e Retrabalho 65 a 90% de redução
Tempo de lançamento do produto 20 a 90% de redução
Qualidade Total do Produto 200 a 600% de melhoria
Produtividade 20 a 110% de melhoria
Retorno sobre vendas (dollar sales) 5 a 50% de melhoria

Tabela I – Resultados obtidos pela implementação da Engenharia Simultânea (CARTER; BAKER, 1992); e (HARTLEY, 1992)

Engenharia Simultânea na Indústria Naval

O projeto de um sistema naval (navio ou plataforma oceânica), caracteriza-se por longos ciclos de desenvolvimento e de construção (“produção”). Embora a utilização de dados de “navios semelhantes” seja uma metodologia extensivamente utilizada nas fases iniciais de projeto, contribuindo para reduzir o ciclo de desenvolvimento, é na fase de detalhamento, que antecede a construção, que ocorre uma grande quantidade de consumo de tempo dentro do ciclo de projeto, devido a grande quantidade, dimensões e complexidade de subsistemas, como por exemplo uma praça-de-máquinas, que compõem os sistemas navais.
A etapa de construção passou por um importante desenvolvimento, que foi a introdução da construção modular, onde o navio é dividido por blocos ou seções, ocorrendo a construção e montagem de equipamentos, sistemas e itens, em cada bloco (outfitting), de maneira totalmente independente dos demais, permitindo diminuição sensível do tempo de construção e flexibilidade à produção do estaleiro.  As figuras 7 e 8 exemplificam o processo tradicional de construção e o processo moderno de “produção” de navios.

Figura 7 Processo tradicional de construção

Figura 8 Processo moderno de construção

Tendo a etapa de construção sido desenvolvida, com a introdução da construção modular, resta ainda a busca de redução do ciclo de desenvolvimento (projeto), sendo então o emprego da ES um meio de atingir tal objetivo. A ES não contribui para a redução do ciclo de projeto, como certamente o seu emprego resulta em uma redução ainda maior do ciclo de construção, pois como citado anteriormente, a utilização de equipes multidisciplinares de projeto, com a participação, fundamental, de pessoal da produção, resultará em projetos com uma grande redução da necessidade de alterações, detectadas, em geral, na etapa de construção e que provocam re-projetos, que por sua vez, levam a atrasos e altos custos.

A ES, como citado anteriormente, utiliza tecnologias (ferramentas) para alcançar seus objetivos, como por exemplo: CAD, CAE, CAM, PDM, Simulação e 3D Product Model.

O 3D Product Model é responsável pela integração das informações do produto, conforme mostrado na figura 6, servindo como único banco de dados para a o emprego de CAD, CAE, CAM, Simulação e concentrando ainda todos as informações logísticas do projeto. Deste modo todos os integrantes das equipes multidisciplinares têm acesso e usam às mesmas informações, evitando uso de informações desatualizadas, que concorrem para erros e atrasos no projeto. O controle de todas as informações do Product Model, é realizada através se softwares do tipo PDM (Product Data Management).

Exemplo de aplicação da Engenharia Simultânea na Indústria Naval

Segundo Winner (2002); Winner (2000) a necessidade, do pós guerra-fria, de reduzir drasticamente o custo de seus submarinos nucleares, levou o estaleiro americano Electric Boat e a Marinha Americana, a buscar uma maneira de torná-los viáveis. O Electric Boat reconheceu que os custos de construção e de operação são quase totalmente determinados durante o desenvolvimento. Com isso o estaleiro, com total apoio e participação da Marinha, decidiu empregar a ES no programa da mais nova classe de submarinos nucleares de ataque dos E.U.A, cujo primeiro navio,“Virgínia”, será lançado em 2004.

Segundo Poitras (1997), a meta de custo para a classe "Virgínia" é de que os navios tenham custo igual ou inferior à classe 688I, anterior a classe "Seawolf", que atualmente é o mais moderno submarino da Marinha Americana. Esta meta de redução de custo, no entanto, não foi acompanhada de degradação dos principais requisitos de projeto, que, por exemplo, foram mantidos para o “Virgínia” os requisitos de assinatura acústica, extremamente rigorosos, do “Seawolf”, o que tornou bem mais difícil a tarefa de projetar o navio.

Para execução do projeto, o navio foi dividido em quinze grandes áreas contíguas, cada qual com uma equipe multidisciplinar de projeto, conforme mostrado na figura 9.

Figura 9 Quinze equipes multidisciplinares de grandes áreas.

Cada equipe multidisciplinar, possui representantes da Marinha (cliente) e do estaleiro, sendo composta de engenheiros, projetistas, fornecedores, representantes da área de logística e responsáveis pelo controle de custo. Dentre os projetistas encontram-se operadores de CAD para arranjo, redes, estruturas, eletricidade, e mecânica.

A estrutura organizacional adotada para o projeto foi a matricial, sendo que as decisões acerca do projeto couberam às equipes multidisciplinares, que possuem total autoridade e liberdade para a tomada de decisão (“empowerment”). A tomada de decisão saiu da esfera dos departamentos funcionais, que a detinham no processo tradicional, cabendo aos mesmos, na abordagem de ES adotada, fornecer mão-de-obra especializada para as equipes multidisciplinares, bem como executar o que foi decidido pelas equipes. Há de se ressaltar que tal mudança além de partir da alta administração do estaleiro, com apoio da Marinha, teve permanentemente o total apoio da mesma.

Alguns resultados, referentes ao programa, são mostrados à seguir.

Segundo Winner (2002) o projeto do "Virgínia" está sendo completado, e a construção está avançando com poucos problemas. A figura 10 mostra a situação atual do projeto, com dados de 2002, em relação ao que foi planejado. A Marinha afirma que a curva apresentada na figura, mostrando tão pequena distorção em relação ao planejado em 1993, nunca havia sido vista em um programa de um submarino antes do "Virgínia" (WINNER, 2002).

Figura 10 Situação atual do Projeto x Planejado

É importante que seja salientado, segundo Winner (2002), que os desenhos prontificados, representados pela curva da figura 10 são muito mais completos, possuindo mais dados, e necessitaram de muito menos revisões do que àqueles produzidos para o "Seawolf" (submarino mais moderno em operação atualmente).

A figura 11, mostra que no projeto do "Virgínia", apesar de serem produzidos mais desenhos que no projeto do "Seawolf", a prontificação dos mesmos, em relação ao início da construção (marco 0), ocorreu em média, 2.5 anos antes do que no projeto do "Seawolf". Sendo que em Fevereiro de 2002 havia sido concluído 99.1% do total, aproximadamente 3.5 anos antes do "Seawolf" atingir a mesma marca. O número de homens-hora (HH) necessário para construir o "Virgínia", primeiro navio da classe, foi reduzido em 40%, em relação ao "Seawolf".

Figura 11 Planos e Desenhos

Segundo Winner (2002) os problemas identificados, durante a construção, têm sido em número bem menor  e muito menos sérios do que no caso do "Seawolf''. A figura 12 mostra que em janeiro de 2002, 3.2 anos após o início da construção, haviam sido identificados  5.300 problemas. Com uma fração da quantidade de HH requerida para a construção, o navio havia alcançado quase 70% do total. O "Seawolf" não alcançou o mesmo nível antes de quase seis anos. Nesse estágio da obra, os construtores do "Seawolf" haviam identificado aproximadamente 53.700 problemas. Deste modo, a redução de erros, em estágio equivalente da construção, é de aproximadamente 90%.

Figura 12 Problemas durante a construção: Virginia x Seawolf

A implantação da ES possibilitou um projeto muito mais maduro que proveu suporte à construção. A figura 13 mostra que 50% do projeto do “Virgínia” havia sido completado, quando do início da construção, comparado com 5.6% do “Seawolf” e 1.6% do “Ohio” (submarino lançador de mísseis balísticos). A pior projeção para o número de alterações de projeto, detectadas durante a construção, para o “Virgínia”, é de apenas 30% do total do “Seawolf” e 36% do total do “Ohio”.

Figura 13 Maturidade do Projeto

Uma das conseqüências fundamentais da ES é que, com o desenvolvimento integrado do produto e processo (construção), através do emprego das equipes multidisciplinares, o projeto é concebido e conduzido de tal maneira que poucas alterações ocorram nas etapas finais do mesmo (maturidade), permitindo que os requisitos de projeto, bem como o contrato para construção, sofram um número extremamente pequeno de alterações ao longo do ciclo de desenvolvimento e construção, o que certamente conduz à redução de custos. A figura 14 mostra que projeções pessimistas em relação ao número de alterações contratuais para o “Virgínia” são da ordem de 12% das alterações contratuais do “Seawolf” e apenas 0.46% das do “Ohio”.

Figura 14  Alterações contratuais do "Virginia" (2002) e projeções para 2004

Conclusão 

Os dados recentes (2002), apresentados acima, acerca da implantação da Engenharia Simultânea no projeto da mais nova classe de submarino nuclear da Marinha Americana, mostram claramente que a ES tem sido fundamental no sucesso do projeto, implementada como um meio de sobrevivência, tanto para o estaleiro quanto para o programa de submarinos da Marinha Americana.

A diminuição do tempo de desenvolvimento do navio, e a drástica redução da necessidade de alterações de projeto, dentre outros fatores, levaram à grande redução de custo, tornando o projeto viável economicamente. Isto foi obtido por meio da participação de representantes da produção, do cliente (Marinha) e de fornecedores, nas equipes multidisciplinares, desde o início do projeto, bem como pelo emprego de modernas ferramentas, citadas no trabalho, principalmente do 3D Product Model.

Estes resultados certamente fortificam a justificativa para aplicação da Engenharia Simultânea em futuros projetos, como um meio de sobrevivência da indústria naval ocidental na sua competição frente aos estaleiros asiáticos.

No momento em que crescem as encomendas mundiais na indústria naval, principalmente na área de offshore, a indústria naval brasileira, que no momento, passa por um aparente processo de ressurgimento, após longo período de estagnação, deve aprofundar os estudos visando a aplicação da Engenharia Simultânea bem como da tecnologia de construção modular, tentando deste modo se modernizar, diminuindo o gap existente entre a nossa indústria e aquelas que se utilizam das melhores práticas (best practices), semelhantemente ao processo de modernização que atualmente está em curso na indústria naval americana.

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