Técnicas de planejamento de experimentos vêm sendo utilizadas como uma ferramenta para verificar o funcionamento de sistemas ou processos produtivos, permitindo a melhorias destes, como a redução na variabilidade e conformidade próximas do resultado desejado, além de diminuição no tempo de processo e, consequentemente, nos custos operacionais. As técnicas de Projeto de Experimentos são ferramentas com uma grande aplicação nas etapas de projeto preliminar, projeto do produto, projeto do processo de fabricação, e na etapa de avaliação e melhoria. Principalmente porque nessas fases é necessário analisar a influência de um ou mais fatores. No entanto, quando o que se quer é investigar o efeito provocado nas respostas dos experimentos por mais de um fator de controle, onde cada um desses fatores de controle possui mais de um nível de regulagem, se recomenda o uso de técnicas de planejamento, tais como: Taguchi, fatorial, superfície de resposta e mistura (MONTGOMERY e RUNGER, 2003).
Esta abordagem de cunho estatístico consiste em planejar experimentos capazes de gerar dados apropriados para uma eficaz análise, o que resulta em conclusões válidas e objetivas. O experimento projetado ou planejado é um teste ou uma série de testes, nos quais se induzem mudanças deliberadas ou estímulos nas varáveis de entrada do processo, de tal forma que seja possível observar e identificar os efeitos nas respostas ou nas variáveis de saída.
O processo de transformação é representado pela combinação de máquinas, métodos, pessoas e outros recursos que transformam uma entrada em produtos acabados ou semi- acabados, com características ou parâmetros específicos (MONTGOMERY, 2001; GALDAMEZ, 2002; COLOMBARI, 2004). Gomes (2010), lembra que o emprego da abordagem estatística no Projeto e Análise de Experimentos necessita que as pessoas envolvidas nos experimentos tenham uma idéia clara a respeito do fenômeno que se pretende estudar, de como os dados serão coletados e de um entendimento básico das ferramentas de
análise utilizadas. Montgomery (2001), também ressalta a importância do domínio do problema por todas as pessoas envolvidas e recomendam que durante os experimentos, o processo seja cuidadosamente monitorado, para garantir que tudo seja realizado de acordo com os planos, pois erros no procedimento experimental muito provavelmente invalidarão os resultados.Montgomery (2005) propõe que o emprego do Projeto e Análise de Experimentos deve considerar as seguintes etapas, conforme Figura 3.1.
Figura 3.1 - Fluxograma de Procedimento de Condução de Experimentos
Com relação aos projetos experimentais, tem-se que técnicas mais utilizadas compreendem o Planejamento Fatorial Completo, o Planejamento Fatorial Fracionado, os arranjos de Taguchi e a Metodologia de Superfície de Resposta (GOMES, 2010). Dessa forma, a Tabela 3.1, apresentada por Nilo Júnior (2003) e também citada por Gomes (2010), esume as principais características relacionadas a cada uma dessas técnicas experimentais.
Tabela 3.1 - Características Fundamentais das Principais Técnicas de DOE Adaptado de Nilo Júnior, (2003); Gomes, (2010)
Projeto
experimental Vantagens Desvantagens Aplicações
Fatorial Completo
Permite a varredura completa da região de
estudo, pois utiliza todos
os fatores e respectivos níveis.
Não identifica variação intermediária, pois só trabalha em dois níveis.
Necessita de um alto número de corridas para
problemas com grande número de variáveis.
Processos onde já se tem um prévio domínio e onde a realização das corridas não demanda maior tempo ou custo.
Fatorial Fracionado Permite uma pré- análise do processo com um número reduzido de corridas.
Não promove a varredura completa da região
experimental.
Processos onde se deseja um pré-conhecimento e
onde a literatura é limitada.
Corridas que demandam maior tempo ou custo.
Taguchi
Permite a análise de um processo com muitas
variáveis de entrada com um número extremamente reduzido
de experimentos.
Fornece uma idéia do processo, porém pode apresentar modelos
matemáticos não confiáveis
Processos onde há pouco ou quase nenhum conhecimento prévio de
comportamento.
Processos com alta dispersão ou que as corridas demandem alto
custo ou tempo Metodologia de Superfície de Resposta Permite a verificação de variações intermediárias do processo.
Pode apresentar erros na extrapolação dos pontos
estrela, já que são realizadas poucas corridas nestes níveis.
Otimização de processos, principalmente bem conhecidos e com baixa
dispersão.
Dentre as técnicas mais utilizadas para a realização do projeto de experimentos, destacam-se para esse trabalho o Planejamento Fatorial Completo
2
κ e a Metodologia de Superfície de Resposta. Sendo assim, os principais conceitos que fundamentam o Planejamento Fatorial Completo2
κe a Metodologia de Superfície de Resposta são discutidos com maiores detalhes no item seguinte.3.4. Planejamento Fatorial Completo 2
κUm experimento fatorial com k fatores, cada um deles com dois níveis, é denominado de experimento fatorial
2
κ. Considera-se um Planejamento Fatorial como completo quandotodas as combinações possíveis entre os fatores são experimentadas (COX e REID, 2000). O arranjo experimental mais comum é o fatorial completo, para o qual o número de experimentos é igual ao número de níveis experimentais elevado ao número de fatores.
No caso típico de fatoriais em dois níveis, o número de experimentos (N) para se avaliar os k fatores é dado por N =
2
κ. Os arranjos fatoriais completos podem ser gerados para qualquer quantidade de fatores e os níveis de cada fator se alternam nas colunas segundo uma mesma ordem tal que para a primeira coluna, os níveis se alteram a cada experimento (2°); para a segunda coluna, os níveis se alteram a cada (2¹); para a terceira coluna, os níveis se alteram a cada (2²) e assim por diante. O procedimento se repete para tantas colunas quantas forem os k fatores, até a k-ésima coluna. Fatoriais Completos cobrem todo o espaço experimental e correspondem ao arranjo experimental mais comum (PAIVA, 2006). Porém, enquanto o número de fatores cresce linearmente, o número de experimentos cresce exponencialmente. Uma quantidade muito grande de fatores pode tornar um processo de experimentação inviável. O processo experimental dessa técnica consiste em realizar testes com cada uma das combinações da matriz experimental. Após esses testes, são determinados e interpretados os efeitos principais e de interações dos fatores investigados e dessa forma pode-se identificar as melhores condições experimentais do produto ou processo de fabricação. Esta técnica pode ser ilustrada considerando-se um experimento com três fatores1
X , X2 e X3cada um desses com dois níveis (-1; +1). Esse exemplo é apresentado por vários que estudam as técnicas de planejamento e análise de experimentos (DEVOR et al.. 1992; MONTGOMERY,1991). Assim a matriz experimental para o experimento fatorial 2³ é representada pela Tabela 3.2. A resposta de cada ensaio é descrita pela coluna yi.
Tabela 3.2 - Matriz de Planejamento 2³
Número de Experimentos Fatores Ordem do Experimento Resposta (yi) X₁₁₁₁ X₂₂₂₂ X₃₃₃₃ 1 -1 -1 -1 6 y 1 2 +1 -1 -1 8 y 2 3 -1 +1 -1 1 y 3 4 +1 +1 -1 2 y 4 5 -1 -1 +1 5 y 5 6 +1 -1 +1 3 y 6 7 -1 +1 +1 4 y 7 8 +1 +1 +1 7 y 8
Devor et al. (1992) descreve o procedimento que pode ser utilizado para construir a matriz genérica do experimento fatorial
2
κ. Na matriz de planejamento, as colunas representam o conjunto de fatores investigados (X1, X2, X3...Xk), e as linhas representam os experimentos que devem ser realizados, variando-se os níveis dos fatores nos valores máximo (+1) e mínimo (-1). Esta forma de organizar o experimento é chamada de ordem padrão, conforme definido por Devor et al. (1992). Ainda, garante-se que com esse arranjo todas as colunas da matriz sejam ortogonais entre si. Com esse tipo de planejamento, é possível determinar os efeitos principais e de interação que as variáveis independentes produzem nas respostas. Segundo Montgomery (2005), o modelo estatístico do experimento fatorial 2³ é dado pela Equação 3.1.3 2 1 7 3 1 6 3 2 5 2 1 4 3 3 2 2 1 1
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
y=β
+β
+β
+β
+β
+β
+β
+β
(3.1) Onde: β = constanteβ i = coeficiente de controle para Xi Xi = fator de controle
O método generalizado que pode ser utilizado para estimar os efeitos principais e de interação dos fatores é apresentado a seguir, conforme descrito por Devor et al. (1992) e Montgomery (1991). Quando o nível de um determinado fator é alterado de (-1) para (+1) e os demais fatores são mantidos constantes, a mudança da resposta média observada correspondem aos efeitos principais. Isso é feito multiplicando os resultados da coluna yi pelos valores +1 e -1 associados a coluna Xi da matriz experimental correspondente ao efeito principal que se deseja estimar. Em seguida, os valores obtidos devem ser somados e divididos pela metade do número de ensaios realizados, conforme demonstra a Equação 3.2.