COMO SE DESENVOLVEM EQUIPAMENTOS ESPORTIVOS PERSONALIZADOS
Aknazar Arysbek, fundador, engenheiro biomédico (MSc, Tufts University). LinkedIn ↗
Suponha que você seja treinador de lacrosse. O treino termina com cem bolas espalhadas pelo campo. Alguém tem que pegá-las. Você tem uma ideia para uma máquina que faria isso. Esta nota mostra como o desenvolvimento de equipamentos esportivos leva essa ideia de um esboço para um produto em uma caixa, com os números calculados em cada etapa.
Três coisas para resolver primeiro
Todo projeto para construir equipamentos esportivos personalizados começa com três coisas: intenções, restrições e um sistema.
A intenção é o que você quer que o produto mude. Para nossa máquina, é simples. O treinador deve parar de passar o final de cada treino curvado sobre um campo de bolas.
As restrições são os limites dentro dos quais o produto deve funcionar. Cada uma funciona como uma cerca ao redor do projeto. Nossa máquina deve funcionar sem motor. Ela deve ser operada por uma pessoa. Ela deve caber em um carro.
O sistema é o método que você repete em cada decisão, e o nosso é o método do resultado ideal. Nele, você imagina cada solução possível funcionando perfeitamente dentro das leis da física e então a julga. Se nem mesmo a versão perfeita satisfaz você, descarte-a; se satisfizer, descubra como chegar lá. Esse método descarta ideias ruins enquanto ainda são baratas.
Os seis passos do desenvolvimento de produtos esportivos
Cada peça de equipamento, de capacete a máquina de coleta de bolas, passa pelos mesmos seis passos. Cada passo responde a uma pergunta.
Vamos acompanhar uma máquina por todas as seis: um coletor de bolas para bolas pequenas. Tem partes móveis. Toca o chão. Vai para casa de carro. Também precisa custar menos que a alternativa, que é um assistente técnico cansado com um balde.
Vamos analisar dois esportes, lacrosse e squash. Ambos usam bolas pequenas. As diferenças entre essas bolas determinam grande parte do design.
Passo 1: requisitos
Antes de qualquer desenho ser feito, você escreve o que a máquina deve fazer. Essa lista são os requisitos. As decisões posteriores são verificadas com base nela.
Um bom requisito tem um número. "Pega bolas rapidamente" é um desejo. "Pega 100 bolas em 10 minutos ou menos" é um requisito.
Comece pela bola.
| Propriedade | Bola de lacrosse | Bola de squash |
|---|---|---|
| Diâmetro | 62,7 a 64,7 mm | 39,5 a 40,5 mm |
| Massa | 142 a 149 g | 23 a 25 g |
| Construção | Borracha maciça | Oco, duas metades de borracha coladas |
| Onde fica | Grama natural ou sintética, ao ar livre | Piso de madeira, entre quatro paredes |
Os números do lacrosse vêm do padrão da bola, NOCSAE ND049. Ele estabelece um peso de 5,0 a 5,25 oz e uma circunferência de 7,75 a 8,0 pol, e os valores métricos são nossa conversão. Os números de squash são a especificação da bola World Squash conforme publicada.
A bola de lacrosse tem cerca de 1,6 vezes a largura da bola de squash. Ela é cerca de seis vezes mais pesada. Uma máquina feita para ambas é mais difícil de fabricar do que duas máquinas feitas para uma cada.
Para este exemplo, desenvolvemos um coletor de bolas de lacrosse. Aqui está a lista.
| Nº | Requisito | Como é verificado |
|---|---|---|
| R1 | Coleta bolas de lacrosse em grama natural e sintética | Teste de campo nas duas superfícies |
| R2 | Coleta 100 bolas em 10 minutos ou menos | Cronometre, 100 bolas espalhadas em uma área de 30 m por 30 m |
| R3 | Comporta pelo menos 100 bolas | Teste de enchimento |
| R4 | Uma pessoa pode operá-lo | Teste de campo com um usuário |
| R5 | Cabe no porta-malas de um carro médio | Compare com o tamanho do porta-malas declarado |
| R6 | Esvazia em um balde padrão de bolas | Demonstração |
| R7 | Dura uma temporada de uso externo | Teste de durabilidade, definido na etapa 4 |
| R8 | Vende por menos de $250 | Modelo de custo, passo 5 |
Os números em R2, R3, R5 e R8 são suposições para esse exemplo. Em um projeto real, eles vêm de você, a pessoa que está no campo todos os dias.
Agora colocamos números nos requisitos, e a lista de desejos vira um problema de engenharia que você pode resolver com um lápis.
Quão pesada é uma carga completa?
Cem bolas de lacrosse, com cerca de 145 g cada, pesam cerca de 15 kg. Isso é uma melancia gigante. A estrutura, as rodas e o cabo precisam suportar esse peso. O operador precisa empurrá-lo.
Quanto espaço as bolas ocupam?
Uma bola de lacrosse tem um volume de cerca de 135 cm³. Bolas despejadas em um recipiente deixam espaços entre si, e uma pilha aleatória de esferas preenche apenas cerca de 64% do espaço que ocupa (empacotamento aleatório compacto). Então, 100 bolas precisam de cerca de 21 litros de espaço. Esse é o tamanho de uma mochila pequena.
Quão rápido você deve andar?
Suponha que a máquina recolha todas as bolas de uma faixa tão larga quanto ela mesma. Limpar uma área de 30 m por 30 m com uma máquina de 0,6 m de largura significa caminhar 1.500 m. Supondo uma caminhada constante de 1,2 m/s, isso leva cerca de 21 minutos. Isso não atende ao R2. Uma máquina de 1,2 m de largura reduz a caminhada pela metade, para cerca de 10 minutos. Mas uma máquina de 1,2 m precisa ser dobrável para atender ao R5.
Então, dois requisitos entram em conflito. Aqui há uma saída. Suponha que as bolas fiquem agrupadas, como podem ficar perto do gol depois de um treino de finalização. Nesse caso, você caminha de grupo em grupo. Você não varre cada metro quadrado. O R2 pode ser mantido, mas só se o teste espalhar as bolas do jeito que elas realmente ficam. O método de teste do R2 precisa dizer como.
A regra: compare seus requisitos entre si antes de compará-los com o mundo.
Passo 2: conceitos
Com os requisitos definidos, o designer faz esboços de todas as formas razoáveis de atendê-los. Esses esboços são os conceitos. Todos eles vão para a mesa antes que alguém escolha um favorito.
Nosso coletor tem quatro conceitos. Todos eles falham em algum ponto. O trabalho é escolher a falha com a qual você consegue lidar.
| Conceito | Como funciona | Custo de fabricação | A falha |
|---|---|---|---|
| A. Tubo coletor | Um tubo com bordas flexíveis, vendido como coletor de bolas de lacrosse; você o pressiona sobre cada bola | O mais baixo; já está à venda | Uma bola de cada vez; não atende ao R2 |
| B. Rolo empurrado | Uma gaiola de fios de mola rolada pelo chão; as bolas são pressionadas entre os fios e ficam presas dentro dela | Baixo | O espaçamento dos fios serve apenas para um tamanho de bola |
| C. Varredor rebocado | Um rolo largo puxado por um veículo utilitário, como uma máquina coletora de bolas de driving range de golfe | Alto | Precisa de um veículo; não atende ao R4 nem ao R5 |
| D. Robô | Uma máquina com rodas encontra as bolas com uma câmera e vai até elas | O mais alto | Baterias, software e clima; não atende ao R8 |
Agora aplique o método do resultado ideal. Imagine cada conceito funcionando perfeitamente.
O tubo coletor perfeito ainda levanta uma bola a cada vez que você se abaixa. Cem abaixadas são justamente o problema com que começamos. Descarte-o.
O varredor rebocado perfeito ainda precisa de um veículo no campo. Um time sem veículo não pode usá-lo. Descarte-o.
O robô perfeito encontra todas as bolas. Também precisa de uma bateria, motores, uma câmera e um software que distinga uma bola de um dente-de-leão. Mesmo em sua forma perfeita, ele não cumpre o limite de preço do R8. Descarte-o.
O rolo empurrado perfeito recolhe todas as bolas em uma única passada, sem motor nenhum. Ele passa. O veredito é o conceito B.
Perceba por que ele venceu. Dos conceitos que passam, B tem menos partes. Cada parte que você remove é uma a menos para projetar, comprar ou quebrar.
O Conceito B também já está à venda, em tamanho menor. O Kollectaball K-Field é um rolo com gaiola de arame feito para bolas de lacrosse, beisebol, hóquei de campo e críquete. Ele comporta até 25 bolas e tem preço de tabela de $99.95. Isso prova que o princípio funciona com uma bola de lacrosse. Ele não atende ao R3: cem bolas significam esvaziá-lo quatro vezes. O trabalho que resta é uma gaiola quatro vezes maior. Verifique a prateleira antes de qualquer projeto avançar.
Por dentro do rolo empurrado
A gaiola é um tambor feito de fios de mola esticados entre dois discos das extremidades. À medida que o tambor passa sobre uma bola, dois fios vizinhos a pressionam por cima. A bola é mais larga que a abertura entre eles. Então os fios se afastam e a bola passa para dentro. Em seguida, os fios voltam à posição. Agora a bola está dentro e não consegue sair.
Tudo depende da abertura. Se for larga demais, as bolas caem de volta. Se for estreita demais, os fios não conseguem dobrar o suficiente para deixar a bola entrar. Um ponto de partida útil é uma abertura de cerca de 80% do diâmetro da bola. Para uma bola de lacrosse de 64 mm, isso dá cerca de 51 mm. Para uma bola de squash de 40 mm, cerca de 32 mm. Os dois números são suposições a serem testadas no passo 3.
Agora a bola de squash volta à cena. Com uma abertura dimensionada para a bola de lacrosse, a bola de squash passa direto. Com uma abertura dimensionada para a bola de squash, a bola de lacrosse nunca entra. Uma única gaiola não pode servir aos dois esportes. Um coletor de bolas de squash precisa de sua própria gaiola, ou de uma estrutura que aceite gaiolas intercambiáveis.
Squash levanta uma segunda questão. Uma quadra comporta talvez 30 bolas dentro de quatro paredes. Aplique novamente o resultado ideal. Uma máquina perfeita economiza um ou dois minutos para um treinador de squash. Uma cesta pode já fazer o serviço. A máquina mais barata é aquela que você evita construir.
A regra: anote o menor e o maior objeto com que a máquina precisa lidar antes de desenhar qualquer coisa.
Passo 3: prova de conceito
Uma prova de conceito é um modelo aproximado construído para responder a uma pergunta. A ideia central funciona?
Para o rolo empurrado, a questão é restrita. As bolas de lacrosse entram na gaiola e ficam dentro dela quando ela rola sobre a grama? A alça, a pintura e o mecanismo de dobra podem esperar.
O modelo pode ser alguns fios de mola dobrados em torno de dois discos de compensado. Role-o sobre um trecho de grama com dez bolas. Conte quantas acabam dentro. Depois altere a abertura em 2 mm e role novamente, em uma faixa de 45 a 57 mm. Faça um gráfico da contagem em função da abertura. A melhor abertura é aquela em que todas as bolas entram e nenhuma sai.
A grama adiciona um segundo teste. Uma bola de lacrosse afunda na grama. A gaiola precisa pressionar a bola com força suficiente para empurrá-la entre os fios antes que ela simplesmente role para longe. Esse empurrão vem do peso do tambor. Um tambor leve demais passa por cima das bolas na grama alta. Teste na grama mais alta que a máquina vai encontrar.
Este é o ponto do projeto em que errar custa menos. Uma ideia que falha aqui custa um pouco de compensado, um rolo de fio e algumas tardes na grama. Se a mesma ideia falhar depois que os moldes forem usinados, o custo será de milhares.
Passo 4: protótipo de engenharia e testes
Uma vez que a ideia funciona, o projetista constrói um protótipo que se parece e se comporta como o produto real. Cada peça é primeiro desenhada em um modelo computacional. Cada dimensão, material e fixador é listado.
O protótipo tem cinco partes principais. Cada uma tem sua própria questão de engenharia.
| Parte | O que ela faz | A questão de engenharia |
|---|---|---|
| Gaiola | Prende as bolas | Material do fio, diâmetro e abertura |
| Discos das extremidades | Mantêm os fios no lugar | Rígidos o suficiente para manter a abertura uniforme sob 15 kg |
| Eixo e rodas | Permitem que a gaiola role | Rolamentos que toleram grama, lama e chuva |
| Estrutura e cabo | Permitem que uma pessoa empurre | Altura do cabo e dobra para caber no porta-malas |
| Porta de esvaziamento | Libera as bolas | Abre sem ferramentas e permanece fechada enquanto rola |
Tome os fios como exemplo. Cada bola que entra dobra dois deles. Dobre um clipe de papel para frente e para trás, e logo ele se quebra. O metal se cansa sob flexões repetidas. Engenheiros chamam isso de fadiga.
Então conte as flexões. Suponha 100 bolas por treino, cinco treinos por semana e uma temporada de 30 semanas. Isso dá 15.000 bolas, e cada bola dobra dois fios. Aço de mola mantido bem abaixo dos seus limites suporta muito mais flexões do que isso. Os fios também rolam sobre grama molhada. Eles devem ser de aço inox ou revestidos contra ferrugem.
O protótipo é então testado conforme os requisitos, linha por linha.
| Teste | Método | Critério de aprovação |
|---|---|---|
| Taxa de captação (R2) | 100 bolas em agrupamentos em uma área de 30 m por 30 m, um operador | 10 minutos ou menos |
| Capacidade (R3) | Encher até que as bolas caiam | 100 bolas ou mais |
| Durabilidade (R7) | Rolar a gaiola sobre 15.000 bolas no gramado; deixar cair da altura da tampa do porta-malas | Nenhum fio quebrado nem peça rachada |
| Esvaziamento (R6) | Virar em um balde padrão | Todas as bolas para fora sem ferramentas |
A maioria dos protótipos falha em pelo menos um teste na primeira vez. É para isso que servem os testes. Cada falha é registrada. O projeto é alterado. Então o teste é repetido. Planeje duas ou três rodadas.
Passo 5: design para fabricação
Um protótipo é construído um de cada vez, com o que se tem à mão. Fábricas produzem às centenas ou aos milhares. O design para fabricação é a etapa em que o design muda para que a fábrica possa produzi-lo rápido, barato e sempre da mesma forma.
Aqui você encontra o número que decide a maioria dos orçamentos de hardware: o ferramental. Ferramental são os moldes e dispositivos de fixação de que uma fábrica precisa antes de fazer a primeira peça. Você paga por ele antes de uma única unidade ser enviada. Um molde para uma peça plástica vai de cerca de $1,500, para uma ferramenta simples de alumínio, a $100,000, para uma grande e complexa.
O custo de uma unidade é:
C é o custo de uma unidade. N é o número de unidades fabricadas. T é o custo do ferramental, pago uma vez. M é o material e as peças por unidade. L é a mão de obra de montagem por unidade.
Compare duas formas de fabricar os discos das extremidades e as peças da estrutura do coletor. O Método 1 as imprime em uma impressora 3D e faz a montagem à mão. O ferramental dele é a impressora. O Método 2 usa peças moldadas por injeção. Todos os números são suposições para este exemplo, não orçamentos.
| Método 1: impresso | Método 2: moldado | |
|---|---|---|
| Ferramental, T | $600 | $30,000 |
| Material e peças, M | $60 | $18 |
| Montagem, L | $25 | $10 |
| Custo unitário com 100 unidades | $91 | $328 |
| Custo unitário com 500 unidades | $86 | $88 |
| Custo unitário com 5.000 unidades | $85 | $34 |
Com 100 unidades, cada coletor moldado carrega $300 de molde. Com 5.000 unidades, o mesmo molde acrescenta $6. Os dois métodos custam o mesmo em cerca de 516 unidades. Esse número é a diferença de $29,400 no ferramental dividida pelos $57 que a moldagem economiza em cada unidade.
Então, a forma de construir um produto depende de quantas unidades você espera vender. Uma liga que precisa de 50 coletores não deveria comprar um molde. Com 5.000 unidades, imprimir custa $51 a mais por coletor do que moldar.
Aqui também está a resposta para uma pergunta comum: quanto custa fazer um protótipo? O protótipo em si é o número pequeno. O ferramental que vem depois é o fator decisivo.
Passo 6: lote piloto e produção
Antes do pedido completo, a fábrica faz um pequeno lote chamado piloto, normalmente de 30 a 300 unidades dependendo do processo. O projeto foi definido na etapa 4. Agora a fábrica é a que está sendo testada. As peças se encaixam na linha, e a centésima unidade corresponde à primeira? Até a caixa é verificada com o produto.
Um problema encontrado em um lote piloto custa algumas unidades. O mesmo problema encontrado após o envio está em 5.000 caixas.
Então a produção começa. Daqui em diante, o trabalho é de verificação. As peças são inspecionadas conforme chegam. As unidades finalizadas são testadas por amostragem. Cada alteração fica registrada.
Limites deste exemplo
- Todos os custos e a meta de preço de $250 são premissas escolhidas para mostrar a aritmética. Um projeto real recebe cotações reais.
- O coletor de bolas de squash não foi desenvolvido além da fase de conceito.
- Eletrônica, software e certificação de segurança não são abordados. Um rolo empurrado não precisa de nenhum deles. Muitos produtos esportivos precisam dos três.
Perguntas frequentes
Preciso de uma patente antes de falar com um designer? Não. Um acordo de confidencialidade protege a conversa. Se vale a pena registrar uma patente é uma questão separada, para um advogado de patentes.
Posso pular a prova de conceito? Raramente. É o passo mais barato. Cada passo posterior depende da resposta que ele dá.
Uma máquina deveria servir para dois esportes? Não no começo. Construa para o esporte com o problema mais claro, depois se adapte.
Quanto tempo leva todo o processo? Pode levar entre 2 meses e 2 anos. Depende dos seus requisitos, orçamento e determinação.
Onde nos encaixamos
Fontes: NOCSAE ND049-19, especificação padrão de desempenho para bolas de lacrosse recém-fabricadas · Especificação da bola de squash, resumida pela Wikipedia · Empacotamento aleatório compacto de esferas · Coletor de bolas Kollectaball K-Field · Protolabs: preços de moldagem por injeção · Xometry: custo de moldagem por injeção · Fictiv: produção piloto · StudioRed: custo de design de produto · Cad Crowd: tarifas de design e prototipagem. Relacionados: quanto custa um protótipo de hardware · como transformar uma ideia em um produto.