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Nova automação para a aviação

5, novembro, 2014 Deixar um comentário

Linhas automatizadas para construção de aviões não são lançadas todos os anos, tampouco são parecidas com aquelas que entregam um automóvel a cada 50 minutos. As soluções para o setor aeronáutico exigem critérios de segurança, rastreabilidade, confiabilidade e qualidade que, se não adequadamente atendidos, podem causar falhas catastróficas. Um grave defeito em um único ponto de solda da carroceria de um automóvel pode passar despercebido e talvez nunca causar problema. Já um simples defeito em qualquer uma das etapas do processo de rebitagem pode comprometer toda a aeronave e certamente colocar em risco a vida de várias pessoas. Quando uma solução de automação surge no setor aeronáutico, representa inovação com elevado conteúdo tecnológico e de ineditismo.

A Embraer tomava forma em 1950 com a fundação do Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA para fomentar e desenvolver a indústria aeronáutica no País, pouco antes de o Brasil receber as primeiras montadoras de automóveis no início da década de 60. Desse o início, a demanda de produção de aeronaves nunca alcançou um número que justifique o investimento de uma linha de produção com elevado nível de automação, porém algo já está mudando.

A grande quantidade de automóveis fabricados diariamente exige nível alto de automação na produção, que facilmente alcança o ponto de equilíbrio para viabilizar o investimento. No entanto, no setor aeronáutico, esse equilíbrio é obtido por outros critérios, como nível de criticidade do processo, redução no tempo de preparação e montagem e ganho com a qualidade de execução do processo. Uma única aeronave pode demorar até dois meses para ser fabricada, testada e entregue ao cliente. Logo, um pedido de dez aeronaves pode exigir até dez vezes esse prazo. Esse fato produz um frenesi contraditório; por um lado a empresa fica satisfeita com a quantidade do pedido, por outro, insegura, caso o cliente o cancele no meio tempo. Logo, a ação importante consiste em reduzir o prazo de entrega (time to market) de cada aeronave, sendo essa a justificativa-chave para automatizar os processos de montagem.

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Figura 1 – robô tipo manipulador Fonte: autor

figura 1As soluções de automação para o setor aeronáutico são bem diferentes quando comparadas às estabelecidas no setor automotivo. Um bom exemplo é o uso de robôs industriais do tipo manipuladores (antropomórficos), já que são os representantes definitivos de qualquer processo de automação (figura 1). Todavia, seu emprego em processos aeronáuticos não ocorre naturalmente, pois as tolerâncias e os requisitos de montagem de aeronaves estão pelo menos uma ordem de grandeza menor. Pode-se citar o processo de solda a ponto das partes que compõem a carroceria de um automóvel. Existem robôs no mercado prontos para essa operação (on the shelf), bastando comprá-los e colocá-los para trabalhar: em média, erram em 1 mm na posição de cada ponto de solda (erro de posicionamento absoluto), o que para um automóvel não representa problema algum, já que é a tolerância de execução típica. Entretanto, para o setor aeronáutico, a grande maioria dos processos de fabricação tem como tolerâncias e requisitos de montagem valores em torno de 0,1 mm, ou seja, dez vezes menores (uma ordem de grandeza). Dessa forma, para que um robô industrial possa ser utilizado em processos de junção de partes do setor aeronáutico, mecanismos adicionais de refinamento de sua exatidão de posicionamento absoluto devem ser considerados.

Existem vários caminhos críticos no processo de montagem de uma aeronave, que consomem uma quantidade significativa de tempo. Destaca-se a montagem das seções da fuselagem, que não é realizada pelo processo de soldagem, mas de rebitagem. A automação desse processo é complexa, exige soluções criativas e recheadas de toques de inovação, pois não existe algo pronto no mercado para atender seus requisitos e tolerâncias. Devido a isso, mais de 95% da cravação de rebites para fechamento de fuselagens é realizada por colaboradores especializados e com uso extensivo de ferramentas manuais de furação, além da aplicação de selante.

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Figura 2 – projeto de pesquisa para utilizar robôs no alinhamento e rebitagem de seções de fuselagem Fonte: autor

Recentemente a Embraer adquiriu uma célula especial para realizar o fechamento da fuselagem de sua linha de jatos executivo Legacy™. Essa máquina realiza de forma automática a furação e a rebitagem das seções da fuselagem (chamadas de charutos), além do alinhamento prévio dessas partes. Essa aquisição é o resultado de um projeto de pesquisa que durou dois anos em conjunto com o ITA para justamente desenvolver esse processo de alinhamento e rebitagem com o uso de robôs industriais, os mesmos usados no setor automotivo. Um fragmento desse projeto é apresentado na figura 2, em que é possível ver um robô (à direita) suportando uma seção de fuselagem e outro com uma ferramenta especial de rebitagem. Seu uso em sistemas de manufatura aeronáutica representa uma inovação para o setor, sendo que, nesse projeto de pesquisa, eles foram usados tanto para o posicionamento das seções de fuselagem, quanto para realizar os processos de furação, aplicação de selante e rebitagem.

Para atender o requisito de erro de posicionamento do processo de alinhamento das seções de fuselagem, tipicamente da ordem de 0,5 mm, um sistema metrológico externo foi integrado ao controlador de posição dos robôs para corrigir interativamente seu posicionamento. Foram avaliadas soluções de metrologia de grandes volumes, como sistemas de iGPS (in door Global Positioning System), CLR (Coerent Laser Radar) e Fotogrametria, sendo esse o sistema de melhor desempenho para o processo.

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Figura 3 – destaque dos sensores de um sistema de Fotogrametria para melhoria do posicionamento absoluto de robôs Fonte: Nikon K-series system

O uso do sistema metrológico baseado em CLR também atendeu o desafio, porém seu elevado custo e atuais problemas de integração com o controlador do robô acrescentam fatores negativos para sua escolha. O sistema de iGPS não apresentou, até a data de fechamento do projeto, maturidade tecnológica suficiente para viabilizar sua aplicação em uma linha de produção de alta criticidade produtiva. Já o sistema de Fotogrametria avaliado foi capaz de realizar medições estáticas e dinâmicas com elevada acurácia (tipicamente ± 0,02 mm), sendo formado por conjunto de três câmeras digitais e um aplicativo dedicado a medir e fornecer as coordenadas espaciais de cada grupo visível de marcadores luminosos. Esses marcadores, destacados no exemplo da figura 3, são pontos luminosos no infravermelho formados por LED que piscam cada um em uma determinada frequência, sendo detectados pelas câmeras. Esses pontos no espaço são calculados pelo computador de coordenadas do sistema, que, por sua vez, fornecem um retorno de posição e orientação para o robô, aumentando a exatidão de posicionamento absoluto. Esse sistema foi escolhido devido à sua robustez, boa relação custo/benefício e relativa facilidade de operação.

Figura 4 – ferramenta para realizar a rebitagem automática de estrutura aeronáutica com robô industrial Fonte: autor

Figura 4 – ferramenta para realizar a rebitagem automática de estrutura aeronáutica com robô industrial
Fonte: autor

Para realizar o processo automático de furação, aplicação de selante e rebitagem, esse projeto apresentou o desenvolvimento de um ferramental exclusivo (end-effector), fixado no punho de um robô industrial, sendo capaz de realizar cada um desses processos, conforme apresenta a figura 4. Para cravar cada rebite, são necessárias seis operações sequenciais e distintas: furação, escareamento, aplicação de selante no rebite, inserção do rebite, cravação e inspeção visual do processo. O dispositivo desenvolvido realiza todas com a vantagem de gerar pouco cavaco na interface de fixação das fuselagens, além de corrigir a posição e a orientação do robô para atender os requisitos exigentes de tolerância do setor aeronáutico.

A tolerância típica de erro de posicionamento de cada furo é de ± 0,1 mm, impossível de ser obtida por um robô industrial sem um sistema metrológico externo. Com efeito, cada furo deve atender os requisitos de forma (erro de circularidade < 36 µm) e orientação (erro de desvio de perpendicularidade < ± 0,5°), conforme ilustrado na Figura 5.

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Figura 5 – exemplo de erro de circularidade, posicionamento e perpendicularidade em furos Fonte: autor

Um típico avião comercial pode conter mais de 100 mil rebites, exigindo para isso a mesma quantidade de furos com a mesma qualidade e repetição dos demais processos. Esses procedimentos devem ainda ser repetidos em outras aeronaves com a máxima semelhança possível e confiabilidade, principalmente devido aos requisitos de segurança de fabricação impostos ao produto. A automação desse processo, mesmo que realizado parcialmente em uma aeronave, acarreta ganhos consideráveis de produtividade e qualidade, sendo esse o divisor de águas para investir em automação do processo de rebitagem em estruturas aeronáuticas. Grande parte dessa nova automação, chamada de automação de precisão, está representada por atividades de pesquisa realizada em laboratórios dedicados para isso, a exemplo do Laboratório de Automação da Manufatura do Centro de Competência em Manufatura do ITA, mostrado na figura 6.

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Figura 6 – vista parcial do processo de alinhamentos de fuselagens desenvolvido no CCM/ITA Fonte: autor

Apesar das limitações com relação à exatidão de posicionamento absoluto, robôs industriais apresentam erro de repetitividade (capacidade de repetir seu posicionamento) muito baixo (± 0,2 mm), ou seja são muito bons para realizar tarefas repetitivas. A grande oferta de capacidade de carga (payload), aliada à elevada robustez de funcionamento, colocam os robôs industriais em uma categoria de equipamento confiável e de elevada maturidade tecnológica (Technology Readiness Level 9). Seu uso em sistemas de manufatura aeronáutica ou aeroespacial é possível pela integração de sistemas metrológicos para medição de grandes volumes junto ao controlador de eixos do robô.

Existem diferentes tecnologias capazes de permitir a medição da posição e atitude (coordenadas e orientação) de ferramentas ou peças acopladas em um robô industrial, porém sua correta seleção e integração representam os desafios tecnológicos de automação que o setor aeronáutico e aeroespacial enfrenta.

Referências consultadas:

Alvarado, B. H. L., Avaliação do desempenho metrológico do sistema de medição iGPS, Dissertação de mestrado, ITA, 2010.

Amorim, D. Y. K., Avaliação de um sistema de fotogrametria para medição e correção da posição de robô industrial empregado na montagem de fuselagem aeronáutica. Dissertação de mestrado, ITA, 2011.

Anjos, J. M. S., Proposta de arquitetura de software de controle para efetuador robótico multifuncional. Dissertação de mestrado, ITA, 2010.

Eguti, C. C. A. & Trabasso, L. G., Design of a robotic orbital driller for assembling aircraft structures, Mechatronics Vol. 24, pp. 533-545, 2014.

Mosqueira, G. L., Towards the robotic assembly of fuselage, Dissertação de mestrado, ITA, 2012.

Crédito:

Artigo escrito por Carlos Eguti, doutor em engenharia mecatrônica pela Technische Universität Darmstadt – TUD e pelo Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA na área de engenharia aeroespacial e mecatrônica, mestre em engenharia mecânica (ciências térmicas) pela Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” –Unesp e engenheiro elétrico pela Unesp. Atualmente faz pós-doutorado no Centro de Competência em Manufatura – CCM/ITA na área de mecatrônica, onde atua como pesquisador.

Para ler outros artigos, acesse: http://www.nei.com.br/artigos/artigos.aspx


Estudo pretende viabilizar uso de biocombustíveis na aviação brasileira

Relatório da Boeing, Embraer e Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo – Fapesp, coordenado pela Universidade Estadual de Campinas – Unicamp, aponta caminhos que o País deve percorrer para ocupar posição de destaque na indústria mundial de biocombustíveis para aviação. Entre os itens do estudo estão mais pesquisa nas áreas de matérias-primas e produção, logística de distribuição e adequação da legislação. O relatório foi divulgado pelos três parceiros nesta semana, em evento realizado na Fapesp.

O “Plano de voo para biocombustíveis de aviação no Brasil: plano de ação” balizará projetos de pesquisa apoiados pela Fapesp e pelas duas empresas de aviação no âmbito de um acordo de cooperação mantido pelas instituições, com o objetivo de estimular a pesquisa e o desenvolvimento de biocombustíveis para aviação no Brasil. O documento é resultado de uma série de oito workshops realizados entre maio e dezembro de 2012, em São Paulo, Belo Horizonte, Piracicaba, Campinas, São José dos Campos, Rio de Janeiro e Brasília, envolvendo representantes do setor aéreo, de universidades e de institutos de pesquisa, entre outros participantes.

O grande desafio científico e tecnológico hoje, em todo o mundo, de acordo com os pesquisadores, é desenvolver um biocombustível a partir de qualquer biomassa produzida em escala comercial, que tenha custo competitivo e possa ser misturado ao querosene de aviação convencional, sem a necessidade de modificações nos motores e nas turbinas e no sistema de distribuição do combustível aeronáutico.

Uma das principais conclusões do relatório é de que no Brasil há uma série de matérias-primas que se mostram promissores para a produção de bioquerosene. A cana-de-açúcar, a soja e o eucalipto são apontados como os três melhores candidatos para iniciar uma indústria de biocombustível para aviação no País. Isso, no entanto, dependerá do processo de conversão e refino escolhido, destacaram os autores. “Também há outras matérias-primas, como camelina, pinhão-manso, algas e resíduos, que podem se tornar opções viáveis”, disse Mauro Kern, vice-presidente executivo de engenharia e tecnologia da Embraer.

Os pesquisadores também analisaram diversas tecnologias de conversão e refino, como gaseificação, pirólise rápida, liquefação por solvente, hidrólise enzimática de biomassa celulósica e lignocelulósica, oligomerização de álcool para combustível de aviação, hidroprocessamento de ésteres e ácidos graxos, bem como a fermentação de açúcares e dejetos (resíduos sólidos urbanos, gases de combustão, resíduos industriais) em álcoois, hidrocarbonetos e lipídios. Todas essas tecnologias têm potencial e, no Brasil, diversas têm sido testadas para produzir biocombustíveis usados em voos de demonstração no País e também no exterior, ressaltaram os autores.

Combinadas às matérias-primas, essas tecnologias formam matriz de 13 possíveis rotas tecnológicas (pathways) indicadas no relatório como alternativas viáveis à produção de biocombustível de aviação no médio prazo.

Segundo os pesquisadores, a maioria das iniciativas para desenvolver biocombustíveis para aviação no Brasil e em outros países ainda está em estágio laboratorial – de desenvolvimento da tecnologia. Embora várias tenham recebido aprovação da American Society for Testing and Materials, entidade norte-americana certificadora de testes e materiais, nenhuma delas pode ser considerada comercial.

“Além de dificuldades técnicas, precisam ser enfrentadas questões de viabilidade econômica e demonstrados os benefícios ambientais, como a redução das emissões de gases de efeito estufa. É preciso mais pesquisa, desenvolvimento e distribuição para estabelecer tecnologias comerciais de refino de biocombustíveis e distribuição para a aviação”, lê-se no relatório.

Fonte: com informações da Agência Fapesp.


Embraer e AgustaWestland criarão joint venture para fabricar helicópteros no Brasil

A criação de uma joint venture no Paíspara produzir helicópteros direcionados ao mercado comercial e militar no Brasil e na América Latina é o objetivo daEmbraer e da AgustaWestland. As empresas visam estabelecer a joint venture em poucos meses, tão logo seja realizado o acordo final e obtidas as aprovações necessárias. 

Estudos preliminares realizados pelas companhias mostram grande potencial de mercado para helicópteros bimotores, de capacidade média, especialmente para atender as demandas apresentadas pelo mercado de óleo e gás. Outros setores, como transporte executivo e militar, também mostram potencial promissor.

“Estamos satisfeitos com a assinatura do memorando de entendimentos com a Embraer e esperamos trabalhar em conjunto”, disse Bruno Spagnolini, CEO da AgustaWestland. “O Brasil é um importante mercado para a empresa e acreditamos que ter presença industrial neste País ajudará nosso negócio a prosperar ainda mais em um dos mercados de maior crescimento do mundo.”

A AgustaWestland, empresa controlada pela italiana Finmeccanica, tem suas principais operações na Itália, Reino Unido, Polônia e Estados Unidos, com centros de serviços, treinamento e apoio ao redor do mundo. Tem subsidiária própria no Brasil, a AgustaWestland do Brasil Ltda., que dá suporte a consumidores no País e na América Latina.


Investimento em inovação garante o futuro das empresas

13, janeiro, 2011 1 comentário

Por Lilian Laraia

De uma maneira geral, as organizações brasileiras não possuem ou são modestas no reconhecimento das atividades de P&D. Os projetos, as pessoas e os orçamentos financeiros para as atividades de pesquisa, desenvolvimento e assistência técnica são vistas e tratadas como ações fora da realidade, desnecessárias para o momento atual, como algo que vem para modificar aquilo que sempre funcionou e como custos e despesas.

Há de haver um novo olhar para as questões ligadas à pesquisa e desenvolvimento de novas tecnologias. Elas merecem seu devido valor e reconhecimento, uma vez que a inovação deixa de ser um diferencial competitivo para as organizações para se tornar um tema necessário e presente na estratégia, na estrutura e no dia a dia.

Não se trata apenas de vencer os limites da concorrência ou surpreender o cliente. Inovar para as empresas representa agora superar os próprios limites em todas as suas dimensões, pois os processos de inovação têm a propriedade de ser multidisciplinar, ser multifuncional e de permear por todas as áreas. É na área de P, D & I que encontramos a função de inovar. Nela encontramos a competência de envolver representantes das mais diversas funções na organização como alta direção, financeira, mercadológica, industrial, técnica, qualidade, segurança e meio ambiente nas decisões, relações e resultados.

Quem já ouviu falar da empresa Olivetti? Significativamente um ícone na produção de máquinas de escrever, mas que foi ultrapassada por empresas como IBM, Itautec e outras conterrâneas que acreditaram e investiram nos desenvolvimentos dos computadores. A opção da Olivetti era manter-se no nicho das máquinas de escrever, este mercado era cativo e dominado por ela. Os negócios iam muito bem, obrigado!!! Então, por que mudar? Ela não acreditou na grande mudança tecnológica e poucos meses foram suficientes para perder este mesmo mercado. Quando despertou para o fato, era tarde demais, estava fadada ao fim.

O papel que a inovação tecnológica tem assumido e contribuído para o desenvolvimento socioeconômico dos países por meio da criação de novas oportunidades de negócio é inegável (SBRAGIA, 2006). O ritmo dos países desenvolvidos e em desenvolvimento, sem dúvida alguma, irá depender cada vez mais da sua capacidade de introduzir novas tecnologias para tornar sua empresa mais competitiva e, conseqüentemente, contribuir para o desenvolvimento do país.

Andreassi (1999) mostrou que a intensidade em P&D (despesa em P&D por faturamento bruto) está altamente correlacionada com o percentual do faturamento da empresa gerado por produtos novos ou melhorados. Como esse percentual equivale a uma parcela significativa do faturamento das empresas (em média 37%), pode-se ter uma ideia do quão estratégico podem ser os investimentos em P&D, notadamente naqueles setores onde a obsolescência tecnológica é alta e, portanto, o ciclo de vida dos produtos é baixo. No mercado brasileiro podemos destacar algumas empresas que são exemplos de práticas nos investimentos consistentes em programas de inovações e P, D & I com resultados satisfatório a longo prazo, estamos falando de empresas como Embraer, Petrobrás, Natura e outras.

À medida que as empresas brasileiras despertam para a inovação tecnológica, a função de P, D & I evolui e aponta para uma relação entre a acumulação de capital e tecnologia de manufatura, mostrando nítida posição, espaço na organização e crescimento.

A utilização de instrumentos de gestão eficaz assume papel de alta importância no acompanhamento do desenvolvimento e do atendimento aos objetivos da estrutura de P, D & I. As funções gerenciais da estrutura de P, D & I permitem organizar os recursos humanos e materiais de forma a possibilitar atingir o dos objetivos maximizando a utilização dos recursos disponíveis.

Estas colocações nos permitem concluir que se considerarmos as decisões relativas à estrutura de P, D & I para as empresas brasileiras nacionais e multinacionais, há fatores que mais interferem na decisão quanto à  função P, D & I. São eles: qualidade e disponibilidade de pessoal qualificado, existência de Universidades e Institutos de Pesquisa, infra-estrutura básica e incentivos fiscais. Estes pontos precisam ser considerados e devidamente tratados na elaboração deste tipo de estrutura.

Consideramos ainda de extrema importância para o Brasil aproveitar a tendência da descentralização e adotar medidas efetivas, com o propósito de atrair investimento das empresas transnacionais para a criação de centros de P&D no país. Se o Brasil não fizer, seguramente outros países da América latina o farão e trarão para si o capital intelectual do conhecimento que caminha junto a cada projeto de inovação tecnológica.

*Lilian Laraia é gerente de projetos da Pieracciani (www.pieracciani.com.br)

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