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BALANCEAMENTO DE LINHA DE MONTAGEM:
UM ESTUDO EM UMA LINHA DE MONTAGEM
DE EVAPORADORES DE AR FORÇADO
JESSYCA CAROLINE DE ASSIS GALAN (UFG-RC)
Stella Jacyszyn Bachega (UFG-RC)
Muris Lage Junior (UFSCAR)
O balanceamento de linha é tido por alguns autores como o problema
fundamental de uma linha de montagem, pelo qual as tarefas executadas
devem ser alocadas a um determinado número de estações de trabalho,
respeitando a ordem de precedência e de forma que alguma medida de
eficiência seja otimizada. Baseado neste contexto, o presente trabalho tem
como objetivo aplicar algoritmo para balanceamento de uma linha de
montagem de evaporador de ar forçado em uma empresa de refrigeração
industrial, visando encontrar o menor número de estações possível e levantar
indicadores como eficiência da linha, desbalanceamento e tempo ocioso.
Para alcançar o objetivo, utilizou-se como estratégia de pesquisa uma
combinação das abordagens qualitativa e quantitativa, o estudo de caso
como método de pesquisa e entrevista semiestruturada para coleta dos
dados. Diante do exposto, optou-se pela aplicação de três algoritmos
heurísticos ao problema em questão: o método heurístico de Hegelson e
Birnie; o método heurístico de Kilbridge e Webster; e o método COMSOAL,
encontrando o mínimo de 4 estações de trabalho, 71,36% de eficiência e
28,64% de desbalanceamento da linha.
Palavras-chave: Balanceamento de linha de montagem, método de solução
heurística, evaporadores de ar forçado
XXXV ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO
Perspectivas Globais para a Engenharia de Produção
Fortaleza, CE, Brasil, 13 a 16 de outubro de 2015.
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1. Introdução
Quando se fala em indústria de transformação, normalmente, a primeira imagem que vem em
mente é a de uma linha de montagem, esta é composta por estações de trabalho sequenciadas,
onde são processados um determinado conjunto de tarefas, cada qual com seu tempo de
processamento, ou seja, ao passo que os itens vão percorrendo a linha, em cada estação, são
desenvolvidas tarefas responsáveis por uma parcela do trabalho total.
A montagem de um produto ou item que componha o produto final consiste de um conjunto
de atividades que visam, ou pelo menos deveriam agregar valor ao produto. Vem dessa
característica a necessidade de desenvolver uma linha de montagem com máxima eficiência.
Gerhardt et al. (2007) afirmam que as atividades executadas na montagem em um sistema
produtivo não são determinantes apenas para a qualidade final do produto, mas também para o
tempo de mercado do produto, prazos de entrega etc.
Assim, fica evidente que a maneira como a linha será projetada definirá seu grau de
eficiência, bem como a qualidade dos itens ali produzidos/montados. Fernandes e Godinho
(2010) consideram o balanceamento da linha como o problema fundamental de uma linha de
montagem, sendo este problema conhecido na literatura como Assembly Line Balancing
Problem (ALBP), no qual as tarefas devem ser alocadas a um determinado número de
estações de trabalho, respeitando a ordem de precedência e de forma que alguma medida de
eficiência seja otimizada.
Nesse contexto, o objetivo deste artigo é desenvolver o balanceamento de uma linha de
montagem de um único produto, com o ritmo da linha ditado por um tempo de ciclo fixo, sem
restrições de atribuição, além das restrições de precedência. O presente trabalho se justifica
por entender que é de expressiva relevância um estudo de tal magnitude em uma das linhas da
empresa em análise, neste caso a de evaporador de ar forçado, na qual nunca foi feito um
estudo de balanceamento, portanto não se sabe a eficiência da linha, se perdas estão
ocorrendo, se há ociosidade ou baixa produtividade, fatores esses que podem ser fruto de uma
divisão inadequada das cargas de trabalho.
Para atingir o objetivo proposto, as demais seções estão organizadas da seguinte maneira: na
seção 2 é apresentada uma revisão bibliográfica sobre o problema da pesquisa; na seção 3 é
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apresentado o método de pesquisa; na seção 4 é tratado o estudo de caso e, por fim, na seção 5
são tecidas as considerações finais.
2. Revisão bibliográfica
2.1. Balanceamento de linha de montagem
O balanceamento da linha, que será caracterizado com base no tempo de ciclo, pode ser
entendido como “o sequenciamento dos postos de trabalho”, tendo como enfoque
implementar um método que vise uma distribuição mais eficiente das operações no chão de
fábrica, estando está fundamentada no estudo de tempos, fluxo de materiais e redução de
desperdício, envolvendo conceitos como o aumento da produtividade e otimização dos custos
de fabricação (TUBINO, 2007).
Há os dois parâmetros que, segundo Silva Júnior et al. (2010), regem a maior parte das
variantes dos problemas de balanceamento de linha: a existência de precedência entre as
tarefas de montagem e o tempo de ciclo da linha (C), sendo que o primeiro condiciona o
início da execução de determinadas tarefas após o término de outras; e o segundo determinado
pelo “intervalo de tempo entre a saída de dois produtos consecutivos em uma linha
cadenciada” (ASKIN; STANDRIDGE, 1993 apud SILVA JÚNIOR et al., 2010, p. 239). O
tempo de ciclo (c) pode ser obtido numericamente por meio da divisão do tempo disponível
de trabalho (horas/dia) pela taxa de produção (demanda) diária:
À medida que o item produzido se desloca em série de uma estação para a outra, o tempo
médio de ciclo deverá ser o mesmo em qualquer posto de trabalho e, portanto, igual a c. Em
geral, não é possível alcançar uma linha perfeitamente balanceada, uma vez que cada estação
k tem um tempo ocioso associado. A soma dos tempos ociosos no decorrer da linha, fornece a
desequilíbrio d da linha (HAX; CANDEA, 1984), que é expresso matematicamente por:
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Ou percentualmente, Hax e Candea (1984), por:
Em que,
d: desequilíbrio da linha
N: número de estações
C: tempo de ciclo
pj: tempo de processamento
Ainda segundo os autores, como o tempo ocioso resulta em custos desnecessários, em termos
de trabalho e equipamentos, se faz necessário buscar um arranjo das tarefas nas estações de
trabalho visando minimizá-lo, o que equivale a minimizar o produto N.C e como resultado
obter uma diminuição nas horas de montagem por unidade de produto.
O tempo gasto na produção de uma unidade, considerando que há apenas um posto de
trabalho, é denominado Conteúdo de Trabalho (CT) e tem importância fundamental na
definição do número mínimo necessário de estações N para se processar a demanda diária,
podendo ser numericamente encontrado pela seguinte expressão:
O número mínimo de estações pode ser obtido numericamente por:
A capacidade máxima de produção na linha pode ser encontrada com base no tempo de
trabalho disponível por dia e no tempo de ciclo, sendo assim:
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Os estudos de balanceamento de linha recebem considerável atenção na área de Engenharia de
Produção, o que proporciona um elevado número de procedimentos de solução. Johnson e
Montgomery (1974) destacam que esses procedimentos geralmente podem ser classificados
como métodos exatos, os quais garantem a solução ótima e são, normalmente, formulações de
programação matemática; ou heurísticos, que podem oferecer uma solução aproximada da
ideal, tendo sido propostos diferentes procedimentos, variando de facilmente executáveis a
algoritmos complexos, que necessitam de computadores para a solução do problema.
Scholl e Becker (2006) aparecem em destaque na literatura quando se trata do problema de
balanceamento de linha, apresentando-os em duas categorias:
i) Problema de Balanceamento de Linha de Montagem Simples (Simple Assembly Line
Balance Problem – SALBP)
ii) Problema de Balanceamento de Linha de Montagem Generalizado (General Assembly
Line Balance Problem - GALBP): quando, em um problema de linha de montagem, se
relaxa qualquer uma das restrições de um SALBP.
2.2. Problema de balanceamento de linha de montagem simples (SALBP)
O Problema Balanceamento de Linha de Montagem Simples é considerado o problema
clássico nas linhas de produção de único-modelo, e que segundo Baybars e Scholl (1986;
1999 apud SCHOLL; BECKER 2006) tem como principais características:
Produção de um único modelo;
Todos os parâmetros de produção são conhecidos;
Ritmo da linha ditado por um tempo de ciclo fixo C;
Tempos de processamento determinísticos;
Não há restrições além das de precedência;
Layout de linha em série com N estações;
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Todas as estações estão igualmente equipadas, no que diz respeito às máquinas e
quantidade de trabalhadores;
Maximização da eficiência E da linha, sendo assim expressa:
Sua problemática está em alocar as tarefas necessárias à produção de um determinado
componente objetivando à distribuição equânime (balanceada) das cargas de trabalho entre as
diversas estações que compõe a linha de montagem, respeitando a existência de restrições de
precedência entre as tarefas (CORTEZ, 2012).
Os SALBP apresentam algumas variações de acordo com o objetivo que se pretende alcançar,
Scholl e Becker (2006) expõem quatro modelos, sendo eles: SALBP-1 que objetiva minimizar
o número de estações N com um tempo de ciclo C fixo; SALBP-2 que visa minimizar C, e
consequentemente aumentar a taxa de produção, de acordo com a quantidade de estações
existentes; SALBP-F que trata do problema de averiguar a viabilidade de se estabelecer ou
não um balanceamento de linha fazendo uma combinação da minimização de N e do C; e por
fim, o SALBP-E, considerada a versão mais geral do problema de maximizar a eficiência da
linha, buscando minimizar C e N levando em consideração a inter-relação existente entre eles.
No presente trabalho objetiva-se a resolução de um SALBP, através de algoritmos
específicos, de forma a encontrar o número mínimo de estações de trabalho N levando em
consideração o tempo de ciclo C, caracterizando, portanto, um SALBP-1. Uma vez que este
compreende as características do problema em estudo, a seguir serão levantados os
procedimentos de resolução para esta problemática.
2.2.1. Procedimentos de solução heurística para SALBP – 1
2.2.1.1. Método heurístico de Hegelson e Birnie (1961)
O método heurístico de Hegelson e Birnie, também denominado “Técnica do Peso
Posicional”, consiste em atribuir um peso a cada tarefa, este peso é igual ao seu tempo de
processamento somado aos tempos de processamentos de todas as tarefas subsequentes, tendo
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como objetivo, dado um C fixo, minimizar o tempo ocioso total, o que equivale a minimizar o
número de estações de trabalho (FERNANDES; GODINHO, 2010).
A partir dos dados coletados, precedência das tarefas e tempo de processamento de cada uma
delas, inicialmente é feito o diagrama de precedências e segue realizando o cálculo do peso
posicional para cada uma das tarefas que constituem o processo produtivo. A partir disso, as
tarefas serão alocadas nas estações de trabalho em ordem decrescente dos pesos de posição e
respeitando o tempo ciclo. Assim que em determinada estação atingir a carga máxima, a
alocação das tarefas deve continuar até que as k estações sejam preenchidas.
2.2.1.2. Método heurístico de Kilbridge e Webster (1961)
O Método Heurístico de Kilbridge e Webster (1961) é semelhante ao de Hegelson e Birnie
(1961), descrito na seção anterior, objetivando, também, a minimização do número de
estações de trabalho.
No processo de solução deste método, será contado o número total de tarefas precedentes de
cada tarefa, a que apresentar a menor quantidade de precedentes será alocada primeiramente.
No caso de existirem tarefas com o mesmo número de predecessores, deverá ser alocada
primeira aquela com maior duração e assim por diante (FERNANDES; GODINHO, 2010).
2.2.1.3. Método COMSOAL
Arcus, em 1966, propôs a heurística COMSOAL (Computer Method for Sequencing
Operations for Assembly Lines), que tem como característica básica a “geração aleatória de
uma sequência possível”, pelo método cria-se uma lista com as tarefas disponíveis para
atribuição, sendo estas selecionadas aleatoriamente, o que permite que as sequências
encontradas sejam comparadas, possibilitando descobrir aquela com o menor número de
estações (FERNANDES; DALAIO, 2000, p.383; SILVA JUNIOR, 2007).
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A técnica controla todas as informações relevantes referentes aos atributos das estações de
trabalho, tais como o tempo ocioso e as tarefas a serem atribuídas, respeitando todas as
restrições (FONSECA et al.,2005)
Zapata e Hurtado (2009) descrevem o passo a passo para resolução do método COMSOAL:
Passo 1: Para cada tarefa identificar as tarefas que a seguem em ordem de precedência;
Passo 2: Criar uma lista A, na qual serão colocadas a cada tarefa da linha de
montagem, o número de tarefas que a precedem;
Passo 3: A partir da lista A, criar uma lista B, com as tarefas que não tem
predecessoras, se não existirem tarefas para atribuir, então pare;
Passo 4: A partir da lista B, criar uma lista C, composta por aquelas tarefas cujos
tempos de processamento não sejam maiores que o tempo de ciclo disponível na
estação. Se está lista ficar vazia, se deve criar uma nova estação, que terá tempo
disponível e repetir o Passo 4;
Passo 5: De formar aleatória, escolher da lista C uma tarefa para atribuir a estação;
Passo 6: Deve-se atualizar o tempo disponível na estação e a lista B, a fim de ver o
tempo consumido e os predecessores completados até o momento. Se a lista B estiver
vazia se deve atualizar a lista A e então voltar ao Passo 3, caso contrário voltar ao
Passo 4.
3. Metodologia da pesquisa
A metodologia de pesquisa adotada levou em consideração o objetivo que se pretendia
alcançar, considerando o tempo disponível para execução do trabalho, bem como o limite de
acesso as informações da empresa em estudo. A princípio se definiu o tema do trabalho, no
caso balanceamento de linha de montagem, seguido pelo delineamento do objetivo geral e dos
específicos.
Para alcançar o objetivo deste trabalho, utilizou-se como estratégia de pesquisa uma
combinação das abordagens qualitativa e quantitativa (MIGUEL, 2012; BRYMAN,1989).
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Seguindo essa lógica e o caráter empírico da investigação aqui desenvolvida, o método de
pesquisa é identificado como estudo de caso (YIN, 2001).
Os dados foram coletados via entrevista semiestruturada, para as quais foram elaborados três
questionários diferentes, cada um destes destinado um público-alvo. Inicialmente foi
estabelecido um breve diálogo com os entrevistados, visando elucidar o estudo que estava
sendo realizado e a abrangência das perguntas que seguiriam.
O primeiro questionário foi direcionado ao gestor da fábrica e focou na coleta de informações
referentes às características da empresa, do produto e do processo; tempo total disponível à
produção; demanda diária, entre outros aspectos de responsabilidade do corpo administrativo.
O segundo questionário, direcionado ao coordenador da linha de evaporador de ar forçado,
abrangeu questões relativas às etapas envolvidas na montagem do evaporador, caracterização
da linha, tarefas executadas e documentação de informações importantes desta linha. Em
ambos os questionários supracitados, perguntas e respostas foram trocadas virtualmente via e-
mail e presencialmente, sendo estas anotadas em um impresso pré-elaborado.
O terceiro questionário, direcionado aos operadores da fábrica, envolve questões como: em
qual sequência as tarefas de montagem estão sendo realizadas, os tempos de execução destas
tarefas, bem como suas relações de precedência.
Este último questionário, foi elaborado com base nas informações coletadas nos questionários
destinados ao gestor da fábrica e ao coordenador da linha, assim, no momento de aplicar o
questionário foi possível conferir se as tarefas e relações de precedências que o corpo
administrativo descreveu vão de encontro ao que realmente é executado na linha. As
diferenças percebidas, assim como os tempos de execução (não documentados pela empresa),
foram anotadas no impresso.
Após observação da linha de montagem em questão e de posse das informações requeridas,
passou-se à fase de tratamento dos dados. Estes foram organizados e documentados,
permitindo prosseguir o presente estudo.
Seguiu-se com o desenvolvimento do estudo de caso, caracterizando a empresa em estudo,
bem como o produto escolhido, seu processo de produção e a linha de montagem. Então
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foram aplicados os algoritmos heurísticos selecionados e realizada uma comparação entre os
resultados obtidos por meio dos três métodos de resolução do problema de balanceamento.
4. Estudo de caso
O estudo do balanceamento de linha de montagem foi realizado em uma empresa de
refrigeração industrial, que projeta e desenvolve equipamentos para instalações frigoríficas,
entre seus produtos estão os evaporadores de ar forçado, sendo a linha de produção deste
produto o foco do presente trabalho.
4.1. Balanceamento da linha
A presente seção se destina a aplicação dos algoritmos heurísticos, apresentados na subseção
2.2, para balanceamento de linha de montagem. Os cálculos desenvolvidos na aplicação dos
algoritmos foram executados com auxílio de planilhas eletrônicas.
A linha de montagem dos evaporadores opera 480 minutos (ou 28800 segundos) por dia e a
demanda diária é de 3 evaporadores. A partir destes valores é possível calcular o Tempo de
Ciclo (C) da linha:
A montagem de um evaporador na linha envolve diferentes atividades que podem ser
agrupadas em 12 tarefas e sequenciadas conforme demonstrado no seu diagrama de
precedências na Figura 1.
Figura 1 – Diagrama de Precedência
1 2
4
3
5 6 7
8 9
1
0
1
1
1
2
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As 12 tarefas realizadas na linha, seus tempos de processamento e as relações de precedência,
podem ser vistas no Quadro 1.
Quadro 1 – Tarefas envolvidas na montagem do evaporador de ar forçado
A partir da soma dos tempos de processamento das tarefas é possível calcular o Conteúdo de
Trabalho (CT), sendo este igual a 27402 segundos.
O número mínimo de estações, baseado no Tempo de Ciclo e no Conteúdo de Trabalho, será
de 3 estações. Esse valor, calculado pela equação 5, pode ser verificado a seguir e foi
arredondado, uma vez que o número de estações deve ser um valor inteiro, e como há
necessidade de mais capacidade que apenas 2 estações, este valor foi arredondado para cima.
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Ressalta-se que o número mínimo de estações real pode ser maior que o mínimo de estações
teóricas, devido a características inerentes ao processo, como a existência de tarefas
demasiadamente longas.
Com base no tempo disponível e no tempo de ciclo, tem-se que capacidade de produção da
linha, calculada pela equação 6, é de:
Calculados os “pontos-chave” para o balanceamento da linha de montagem, segue-se com a
aplicação dos métodos heurísticos escolhidos.
4.1.1 Aplicação do método heurístico de Hegelson e Birnie (1961)
Para a aplicação do método heurístico de Hegelson e Birnie (1961) ou método do Peso
Posicional, foi organizado na Tabela 1 as tarefas desenvolvidas na linha, bem como o peso da
sua posição, já em ordem decrescente. Esta relação de sucessão pode ser consultada na Figura
1 e no Quadro 1.
Tabela 1 – Peso da Posição em ordem decrescente
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Portanto, as tarefas serão alocadas da seguinte ordem: 1, 2, 4, 3, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12.
Respeitando o tempo de ciclo, a alocação das tarefas nas estações é feita conforme a Tabela 2.
Tabela 2 – Balanceamento Hegelson e Birnie (1961)
O número mínimo de 3 estações, é inviável, uma vez que a tarefa 6, na qual é feita a expansão
dos tubos, que exige um tempo de processamento muito longo, não pode ser dividida,
forçando abrir uma nova estação. Portanto, chega-se a um mínimo de 4 estações.
Chega-se, respectivamente por meio das equações 7 e 3, a uma eficiência (E) de 71,36% e um
desbalanceamento (d) da linha igual a 28,64%.
4.1.2 Aplicação do método heurístico de Kilbridge e Webster (1961)
Para o método heurístico de Kilbridge e Webster (1961), a relação tarefa e quantidade de
predecessoras estão organizadas na Tabela 3.
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Tabela 3 – Número de tarefas precedentes
Com a aplicação do método, a ordem de alocação é 1, 2, 4, 3, 5, 6, 7, 8, 10, 9, 11 e 12. Como
apresentado na Tabela 4.
Tabela 4 – Número de precedentes em ordem crescente
Com base na sequência de tarefas apresentada, e respeitando o tempo de ciclo, a alocação das
tarefas nas estações é apresentada na Tabela 5.
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Tabela 5 – Balanceamento Kilbridge e Webster (1961)
Assim como no método anterior, e respectivamente pelas equações 7 e 3, também se chega a
uma eficiência (E) de 71,36% e um desbalanceamento (d) da linha igual a 28,64%.
4.1.3 Aplicação do método COMSOAL
Na Tabela 6 estão listadas as tarefas a serem executadas, com seus respectivos tempos de
processamento, relações de precedência e o número de tarefas precedentes.
Tabela 6 – Lista das tarefas
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Na Tabela 7 é apresentada a nova lista gerada contendo as tarefas que não são precedidas por
nenhuma outra.
Tabela 7 – Lista das tarefas não precedidas por outras tarefas
Novas listas foram geradas, agora sendo compostas por aquelas tarefas cujos tempos de
processamento não sejam superiores ao tempo de ciclo disponível da estação. Quando um
conjunto de tarefas atinge o tempo de ciclo, a estação onde estão sendo alocadas estas tarefas
deve ser fechada, e então se abre uma nova estação.
Na estação aberta foi dada a continuidade da alocação das tarefas até que sua capacidade foi
alcançada e assim sucessivamente. Tais alocações de tarefas podem ser vistas nas Tabelas 8,
9, 10 e 11.
As cinco tarefas alocadas na 1ª estação respeitam as relações de precedência e totalizam 6090
segundos.
Tabela 8 – Primeira estação
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A tarefa 6, possui um tempo de processamento de 9000 segundos, tempo demasiadamente
longo e próximo da capacidade de uma estação, de 9600 segundos. Esta tarefa é alocada na 2ª
estação e apresentada na Tabela 9.
Tabela 9 – Segunda estação
Na Tabela 10 foram alocadas tarefas, assim como nos casos anteriores, até se atingir o tempo
limite da estação. A 3º estação é constituída por 4 tarefas, com tempo total de processamento
de 8070 segundos.
Tabela 10 – Terceira estação
Por fim, abriu-se outra nova estação, sendo esta suficiente para alocar as tarefas restantes, no
caso as tarefas 11 e 12, com tempo total de processamento de 4242 segundos. Esta estação
pode ser vista na Tabela 11.
Tabela 11 – Quarta estação
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Com base nas estações geradas, organizou-se a Tabela 12, a qual engloba como as tarefas
estão dispostas nas estações, o tempo real de processamento em cada estação, os tempos
ociosos e os níveis de utilização do operador.
Tabela 12 – Balanceamento COMSOAL
Bem como nos métodos anteriores, foi obtida uma eficiência (E) de 71,36% e um
desbalanceamento (d) da linha igual a 28,64%.
4.2 Comparação entre os métodos abordados
No Quadro 2 é possível verificar os resultados obtidos para cada um dos indicadores
utilizados em relação aos três métodos utilizados.
Quadro 2 – Indicadores de desempenho dos balanceamentos
Verifica-se que os três métodos atingiram o mesmo nível de desempenho e alcançaram o
mesmo número mínimo de estações, o que permite concluir que, na situação em análise,
nenhum dos métodos se sobressai em relação aos demais.
Os resultados encontrados para os indicadores foram iguais, observa-se uma pequena
diferença na aplicação dos métodos heurísticos quanto à ordem de alocação de algumas
tarefas nas estações. Destaca-se a validade da aplicação destes métodos de balanceamento na
realidade de uma organização, obtendo resultados satisfatórios.
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5. Considerações finais
O estudo do balanceamento desenvolvido no presente trabalho objetivou aplicar algoritmos
para o balanceamento da linha de montagem de evaporadores de ar forçado em uma empresa
de refrigeração industrial, buscando o menor número possível de estações de montagem.
A aplicação dos três métodos heurísticos – Hegelson e Birnie (1961), Kilbridge e Webster
(1961) e COMSOAL – para o balanceamento da linha alcançaram os mesmos resultados,
totalizando um mínimo de 4 estações de trabalho, eficiência de 71,36% e desbalanceamento
da linha igual a 28,64%, o que, em termos de tempo, equivale a uma média de ociosidade nas
estações de 2749,5 segundos.
De modo geral, o presente estudo contribui para o meio acadêmico pela concentração e
difusão de métodos de resolução para o problema de balanceamento de linha de montagem
simples aplicados à minimização do número de estações de montagem, e na validação de
métodos teóricos aplicados à realidade organizacional. Contribui, também, com a área
empresarial por demonstrar que estudos acadêmicos podem detectar situações que
comprometem o desempenho mais eficiente do sistema produtivo, encontrando pontos de
melhoria que podem resultar em ganhos significativos para a empresa.
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