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Conheça novas soluções para incrementar processos produtivos e atender as exigências da Indústria 4.0

Por acelerar a capacidade de produção, contribuindo para a modernização tecnológica do parque fabril, a automação é essencial para as indústrias que planejam otimizar sua manufatura e obter maior eficiência e qualidade e menores custos. Esta seção reúne novas soluções pesquisadas nos mercados nacional e internacional. Muitas delas já estão alinhadas à Indústria 4.0 – chamada também de Quarta Revolução Industrial –, novo conceito que apresenta uma evolução dos sistemas produtivos atuais a partir do uso de redes inteligentes, Internet das Coisas e Big Data.

Esse tem sido o foco dos debates em todo o mundo, pois os benefícios da Indústria 4.0 estão relacionados ao aumento de produtividade, redução de custos, melhoria da qualidade, aumento da segurança e precisão, economia de energia, fim do desperdício e personalização, essenciais para enfrentar a intensa concorrência mundial.

“Na Indústria 4.0, os setores de produção e automação crescem juntamente com as tecnologias da informação e da comunicação”, contou Fabrício Junqueira, docente e membro do Laboratório de Sistemas de Automação da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. “Nesse novo cenário, a fábrica está interconectada, comandando a si mesma, como exemplos: comunidades de máquinas se organizam, cadeias de suprimentos se coordenam automaticamente e produtos inacabados enviam dados necessários para as máquinas que vão transformá-los em mercadoria. Não é mais a produção rígida que determina o produto fabricado de maneira igual, mas, sim, a peça isolada – produto inteligente – que decide seu caminho na produção.” A chave para isso é a integração de softwares, sensores, processadores e tecnologias de comunicação via sistemas ciber-físicos (Cyber-Physical Systems).

Para aprofundar o tema, a equipe de reportagem de NEI também conversou com Roberto dos Santos, gerente regional de produtos para as Américas da Festo Brasil, empresa mundial especialista no fornecimento de tecnologias de automação.

Como exemplo de produto, ele discorreu sobre as novas unidades para tratamento de ar comprimido que possibilitam diagnóstico via internet, podendo ser acessadas a milhares de quilômetros da planta onde estão instaladas, para detectar quedas súbitas de pressão ou vazamentos de ar. Mencionou também que já estão disponíveis módulos de eficiência energética que otimizam o uso de ar comprimido como energia, possibilitando medição, controle e diagnóstico, inclusive detectam aumento do consumo de ar comprimido no ciclo-padrão, que pode ser causado por fugas, e indicam quando a produção, em estado de espera, interrompe o fornecimento de ar comprimido a fim de evitar consumo desnecessário.

O gerente explicou ainda a Internet das Coisas na Indústria 4.0, em que objetos terão conexão direta com a internet, enviando e recebendo dados que auxiliarão na identificação de necessidades, otimização de recursos e tomada de decisões. “Máquinas poderão analisar dados e reajustar o processo para tornar-se mais eficientes, seguras e confiáveis”, disse Santos. “No caso de maquinário decisivo do processo necessitar de manutenção, o fluxo de produção determinado por algoritmos existentes nas máquinas será desviado para outras, que poderão compensar a deficiência.”

Implantando a Indústria 4.0 no Brasil

Segundo Carlos Cesar Aparecido Eguti, pesquisador e pós-doutorando do Centro de Competência em Manufatura – CCM/Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA, onde estuda o tema Indústria 4.0, a corrida para definir a Indústria 4.0 já começou, e o Brasil apresenta um panorama positivo porque tem parque industrial misto com empresas de origem europeia, norte-americana e outras. “De acordo com a Câmara de Comércio e Indústria Brasil-Alemanha, o Brasil é o país que mais possui empresas de origem alemã, são 1.200, e isso cria um alinhamento muito grande com os conceitos do Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH – DFKI, que cunhou o tema Indústria 4.0 em 2011”, contou. “Muitas empresas já estão formando clusters para debater esse tipo de ‘comunicação das coisas’, mas nada surpreende ainda. Com certeza a heterogeneidade de empresas no Brasil pode contribuir, mas ainda não temos uma frente de ação unificada para isso. De qualquer maneira, essa revolução agora passa por aqui e ainda temos chance de pelo menos participar disso.”

As três principais mudanças para a prática da Indústria 4.0 no País, na opinião do gerente da Festo, envolvem desafios tecnológicos, organizacionais e de capacitação.

Tecnológico: destaque para a infraestrutura adequada ao grande volume de dados necessários para a comunicação com clientes e fornecedores e entre equipamentos capazes de realizar o autoajuste do processo produtivo. A internet será o canal por onde trafegará toda a informação necessária para os processos de vendas, logística e produção.

Fabrício Junqueira complementou que será preciso uma infraestrutura similar à da Coreia do Sul, onde um usuário comum consegue contratar velocidades reais na casa dos Gigabits, ou seja, será necessário que as empresas disponibilizem infraestrutura para Terabits ou mais. “A Fapesp, por volta de 2002, lançou um projeto de pesquisa chamado TIDIA-KyaTera, que era nesse sentindo”, lembrou. Além disso, reforçou que, visto as empresas e os equipamentos necessitarem se comunicar via internet, é necessário garantir que não sofrerão ataques e que as informações trocadas entre eles não sejam acessadas por pessoas desautorizadas.

Organizacional: para a adaptação da produção às necessidades dos consumidores, as empresas necessitarão desenvolver novos modelos de negócio, em que a personalização de produtos e serviços será a regra, e a velocidade para atender o pedido será fator crítico para a competitividade, exigindo novas formas de trabalho com menor interferência humana e alta confiabilidade nos processos produtivos e logísticos. Com isso, novas regras serão necessárias para reger as relações de consumo, por exemplo, como tratar a devolução desses itens? Outra demanda organizacional está relacionada com a necessidade de se estabelecer inúmeros padrões técnicos que possibilitarão o fluxo de informação desde o cliente até as máquinas de produção; o estabelecimento desses padrões passa por um complexo e amplo processo de normalização de equipamentos, protocolos de comunicação, identificação de produtos, rastreabilidade, etc., que serão desenvolvidos a partir da cooperação de empresas, inclusive concorrentes.

Capacitação: necessidade de novos perfis profissionais nas diversas fases do processo, começando por vendas, os quais precisarão atuar como verdadeiros consultores dos clientes. Com isso, o conhecimento de necessidades passará a ser o diferencial competitivo. Na indústria, serão necessários especialistas em sensores, redes industriais, comunicação e tecnologia da informação. O processo logístico será personalizado e demandará planejamento ainda mais complexo e eficiente para atender pequenos pedidos em prazos menores.

Para Junqueira, a Indústria 4.0 é uma ótima oportunidade para pequenas e médias empresas, no entanto não dá mais para o governo negligenciar a educação. “Se não qualificarmos as pessoas – e isso vem do ensino fundamental –, não vamos conseguir acompanhar o resto do mundo industrializado e continuaremos sendo fornecedores de commodities”, declarou. “Já os empresários não podem esperar que o governo faça tudo. Por um lado, devem cobrar o governo, por outro, se engajar no processo de capacitação.”

Automação e robótica ganhando mais espaço

Com o objetivo de promover e ampliar a utilização de robôs e sistemas de automação nos processos de fabricação de pequenas, médias e grandes empresas, a Câmara Setorial de Máquinas-Ferramenta e Sistemas Integrados de Manufatura – CSMF da Associação Brasileira da Indústria de Máquinas e Equipamentos – Abimaq formou o Grupo de Trabalho de Robótica e Automação.Empresas de automação, integradores de robôs, fabricantes de máquinas nacionais e filiais brasileiras das indústrias de robôs participam do grupo, além do Banco Nacional de Desenvolvimento Econômico e Social – BNDES. Segundo a Abimaq, o banco tem interesse em desenvolver um programa dentro do ProBK que facilite a aquisição por meio de financiamentos para promover a melhoria dos processos nas linhas de montagem.

O uso de robôs na cadeia produtiva contribui para acelerar o processo de modernização de fábricas, automatizando os mais diversos tipos de aplicações. De acordo com a ABB, empresa mundial de tecnologias de energia e automação, as dez principais razões para investimentos em robôs são: aumento de produtividade, redução dos custos operacionais, melhoria da qualidade do processo, aumento da segurança do trabalho, maior flexibilidade na fabricação de produtos, redução do desperdício de material e aumento do rendimento, queda da rotatividade e dificuldade de recrutamento de trabalhadores, economia de espaço, diminuição dos custos de capital (ex. estoques) e melhoria da qualidade de trabalho para os funcionários.

Na edição de agosto, alguns robôs, como os colaborativos, podem ser vistos despontando como realidade tecnicamente amadurecida. Fazem parte de um novo conceito que ganha força e aos poucos é incorporado aos processos produtivos. Uma corrida tecnológica está em curso. É preciso se atualizar sobre o desenvolvimento de novas tecnologias e conhecer soluções inovadoras que possam contribuir para tornar os processos produtivos cada vez mais eficientes.

Carlos Cesar Aparecido Eguti escreveu exclusivamente para NEI um artigo sobre a evolução industrial do século XVIII até a Indústria 4.0.

 


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.

figura 5

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