Introdução ao Planejamento de Experimentos

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Princípios de Planejamento de Experimentos (DOE)

Curso Técnico em Cerâmica

Professor: William Rodrigues dos Santos

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Princípios de Planejamento de Experimentos (DOE)

1. Introdução

O desenvolvimento de um novo produto cerâmico exige uma série de estudos antes da sua conclusão: é necessário desenvolver uma massa, esmalte, engobe e decoração.

Por exemplo, o desenvolvimento da massa é um processo custoso e demorado, pois envolve formular diversas composições, variando-se a porcentagem e tipos de matérias-primas, até que o produto queimado tenha as características técnicas (como por exemplo, absorção de água e resistência mecânica) para classificação, segundo os critérios Normativos.  

Neste sentido, podem ser utilizados princípios da técnica de Planejamento de Experimentos (DOE – Design of Experiments) para auxiliar no desenvolvimento do produto.

Segundo o Portal Action (2014), os objetivos de um experimento planejado são:

• reduzir a variação do processo;
• obter maior concordância entre os resultados obtidos e o resultados planejados;
• reduzir tempo de processo;
• reduzir custo operacional;
• melhorar o rendimento do processo.

As aplicações típicas do DOE são (PORTAL ACTION, 2014):

• avaliação e comparação de configurações de projeto;
• avaliação e seleção de diferentes materiais;
• avaliação e seleção de parâmetros (variáveis) de processo;
• determinação de parâmetros de projeto e processo que melhorem a qualidade do produto final;

Na figura abaixo é apresentado um modelo geral de um processo. Examinando este modelo para o processo de formulação de massa:

• na Entrada estão as matérias-primas utilizadas nesta formulação (argilas, feldspato, quartzo, caulim, entre outras);

• nos Fatores de entrada controláveis estão a formulação utilizada, com sua composição (porcentagem de cada matéria-prima) e os parâmetros de preparação de massa, conformação e queima;

• os Fatores de entrada não-controláveis são aqueles que estarão presentes independentemente de escolha, por exemplo, a composição química de cada matéria-prima, a análise mineralógica;

• na Saída estão os resultados desse processo e a variável de interesse (Y): o suporte cerâmico que apresenta suas características: %Rlq, Absorção de Água, Módulo de Resistência a Flexão, entre outros.

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Figura 1. Modelo geral de um processo

Fonte: Portal Action (2014)

O planejamento de experimentos envolve realizar uma série de testes, onde são realizadas modificações propositais nas variáveis de entrada de um processo, e que os resultados dessas mudanças sejam visualizados na saída do processo.

Podem ser utilizados dois tipos de planejamento de experimentos:

• experimento de misturas: é um tipo experimento que estuda o efeito de diferentes composições (porcentagem) de matérias-primas no resultado do processo;

• experimento fatorial: é um tipo de experimento que estuda o efeito da variação de dois ou mais fatores (ou parâmetros) de processamento (carga de compactação, temperatura, ciclo de queima) no resultado do processo.  

1. Planejamento de experimentos fatoriais para formulação de massas cerâmicas

O planejamento de um experimento para avaliar parâmetros de processo na formulação de massas cerâmicas envolve:

Definir os fatores e níveis: os fatores são os parâmetros de processos que serão testados. Já os níveis são os valores que os parâmetros de processo assumirão durante os testes.

O tipo de experimento mais comum é do tipo 2K, onde são realizados experimentos com K fatores que podem assumir dois níveis cada um.

Por exemplo, podemos planejar um experimento para avaliar o efeito da carga de compactação e temperatura de queima no desenvolvimento de uma massa.

Desta forma, temos que definir dois níveis para carga de compactação e dois níveis para temperatura de queima.

Fator	Carga de compactação	Temperatura de queima
Menor Valor (-1 ou – ou baixo)	230Kgf/cm2	1000 °C
Maior Valor (+1 ou + ou alto)	270Kgf/cm2	1050 °C

Cada fator possui dois níveis, chamados de Menor Valor e Maior Valor, a significação “-1 ou – ou baixo“ e “+1 ou + ou alto” é uma forma de codificar os valores assumidos pelos fatores.

Analisando-se o planejamento de experimento apresentado, ele é do tipo 22 = 4, ou seja, temos que fazer 4 testes para completar todo o experimento planejado.

O efeito de um fator é a mudança no resultado do processo, pela mudança do valor de seu nível. Por exemplo, ao mudar o nível da carga de compactação de 230Kgf/cm2 para 270Kgf/cm2.

Uma interação ocorre quando o resultado do processo para um determinado fator depende do nível escolhido para outro fator. Por exemplo, a resistência mecânica de corpos de prova prensados com 230Kgf/cm2 não são iguais quando queimados a 1000 °C e a 1050°C.

Se aumentarmos essa carga de compactação para 270Kgf/cm2, a resistência mecânica também será diferente quando queimados a 1000 °C e a 1050°C.