Um olhar sobre a fábrica do futuro: combinação robótica, fabrico aditivo e inteligência artificial

Este contexto sombrio levou a uma reflexão sobre um vislumbre de recuperação, em que a inovação poderia impulsionar a indústria transformadora até um ponto apenas alcançável se a situação atual não o tivesse forçado. Esta visão utópica apresenta a provável realidade de uma fábrica completamente autónoma onde os materiais entram por um lado e as peças fabricadas saem pelo outro.

Neste próximo nível de “just-in-time”, os métodos de otimização não se limitariam ao fabrico de peças, mas começariam pela conceção das formas, imaginada por computadores com métodos de cálculo que superam a inteligência humana. Esta melhoria permitiria criar geometrias de peças anteriormente inexistentes e fabricá-las com meios quase futuristas muito mais avançados que os métodos tradicionais. A única constante que permaneceria em relação aos nossos processos de fabrico atuais é a necessidade de um controlo de qualidade, que acabaria por levar a um controlo de qualidade totalmente automatizado.

Três elementos são fundamentais para alcançar a fábrica do futuro: robótica, fabrico aditivo e inteligência artificial. Neste artigo, tentamos desenvolver um esboço deste futuro, incluindo as suas implicações, consequências e, sobretudo, os benefícios para o crescimento e para as receitas das empresas.

É possível vislumbrar um futuro no qual ninguém entra nem circula nas fábricas, já que as máquinas realizam todas as operações, transformando as matérias-primas em bens finais da forma mais rápida e segura possível. Como resultado, a unidade de produção torna-se essencialmente um espaço onde os robôs realizam um bailado eletromecânico, coreografado ao milissegundo e executado sem descanso num ambiente tranquilo, mas ruidoso.

Na ausência de pessoas, os padrões de segurança podem ser reinventados, os protocolos podem ser revistos, as velocidades de funcionamento podem ser aceleradas e todo o turno pode ser otimizado porque a saúde e a segurança dos trabalhadores já não são uma preocupação. As luzes podem até ser desligadas, pois todas as ações são guiadas por sensores óticos e de movimento.

Enquanto as fábricas de hoje são projetadas para permitir que os manipuladores de materiais se desloquem com segurança, as fábricas do futuro serão bastante diferentes. Em unidades de produção totalmente automatizadas, os incansáveis robôs movem-se lado a lado de forma eficiente ao longo de vastos andares, fazendo voltas muito adjacentes entre si. Executam as suas tarefas com diligência e só fazem uma pausa para o controlo de qualidade.

Os armazéns da Amazon, com o seu inventário de mercadorias e sistemas de recuperação que utilizam uma série de robôs para movimentar a mercadoria dos fabricantes para os utilizadores, já oferecem um vislumbre da fábrica do futuro. E o progresso não deverá parar por aí, pois a Amazon também está a desenvolver drones e veículos autónomos para acelerar as entregas e completar as viagens robóticas dos seus produtos com estilo.

A Boston Dynamics também contribuiu para o crescimento da robótica ao desenvolver robôs humanoides versáteis e móveis para o manuseamento de caixas em diferentes operações de armazém. Estes robôs inteligentes aceleram o nosso progresso rumo à fábrica do futuro ao automatizar o manuseamento de caixas em qualquer lugar do armazém com mobilidade avançada e sistemas de visão de última geração, eliminando a necessidade de novas infraestruturas fixas.

Algumas indústrias já deram um passo rumo ao futuro, aproveitando o poder das mais avançadas tecnologias de fabrico. Desde a criação acelerada de protótipos e melhor agilidade na personalização dos desenhos até reduções significativas no inventário de peças excedentes, o fabrico aditivo é uma tecnologia inovadora que tem o potencial de revolucionar o fabrico na perspetiva dos custos e da eficiência.

Os dispositivos médicos, os veículos aéreos não tripulados e os motores a jato podem agora ser fabricados com impressoras 3D de grau industrial. Não é surpreendente que a gama de materiais de impressão continue a expandir-se. Além dos plásticos básicos e das resinas fotossensíveis, agora incluem-se a cerâmica, o cimento, o vidro, inúmeros metais e ligas, e novos compósitos termoplásticos infundidos com nanotubos e fibras de carbono.

Entre os pioneiros da impressão 3D em metal encontra-se a Lincoln Electric Additive Solutions, fabricante de protótipos, peças de produção e peças de substituição em grande escala, ferramentas feitas de aço e aço inoxidável, Invar e ligas de níquel.

Devido ao tamanho e complexidade das peças metálicas que a Lincoln Electric imprime em 3D, a avaliação precisa das dimensões é fundamental para evitar problemas de consistência na qualidade. Sem dúvida que realizar o controlo de qualidade em peças muito grandes e pesadas que ainda estão demasiado quentes para serem tocadas é um desafio que, até ao momento, só pode ser alcançado com tecnologias de digitalização 3D precisas, portáteis e sem contacto. Portanto, ter acesso a um controlo de qualidade moderno para detetar defeitos e desvios diretamente na produção continua a ser essencial para o progresso futuro das soluções aditivas.

O próximo passo é incorporar a inteligência artificial na conceção de peças e, assim, descobrir caminhos que ainda não foram explorados. Dado que a inteligência humana aborda a conceção de uma forma muito pragmática, a correlação entre a geometria da peça e as suas funções mecânicas costuma ser bastante direta. Agora, porém, com o crescimento da inteligência artificial e os seus milhões de cálculos por segundo, poderemos criar formas nunca antes vistas, com um nível de complexidade que o ser humano não poderia imaginar.

Começando pelos pontos de união e pelas várias restrições de engenharia (térmicas, de tensão ou de resistência) a que a peça estará sujeita no respetivo espaço envolvente, a inteligência artificial pode simular toda a rede de restrições e obter, de forma iterativa, um design otimizado para minimizar o material, os resíduos de utilização e produção, mantendo-se em simultâneo os padrões de desempenho e cumprindo-se os objetivos de conceção.

Esta forma de inteligência artificial que aproveita o poder da aprendizagem automática para otimizar todo o processo de design até ao fabrico denomina-se design generativo. Cada vez mais popular entre os desenhadores, acelera todo o processo de conceção, permitindo que as empresas cheguem mais rapidamente ao mercado com designs já perfeitamente adaptados às suas aplicações.

Com estes novos conhecimentos de design, os fabricantes podem agora otimizar a durabilidade dos seus produtos, eliminar as áreas frágeis e selecionar materiais mais sustentáveis. Também podem explorar novas soluções de design que permitam consolidar múltiplas componentes em peças sólidas, reduzindo os custos de montagem e simplificando a cadeia de montagem. Resumindo, a inteligência artificial fornece o poder de impulsionar a inovação ao máximo com produtos de melhor qualidade concebidos e construídos em menos tempo.

Embora este avanço tecnológico seja iminente, a inspeção e a contravalidação são realidades que permanecerão na agenda das empresas transformadoras. Evidentemente, a máquina assume que está a executar a tarefa correta, que está a imprimir corretamente a peça em 3D. Contudo, apenas um sistema de inspeção à prova de falhas pode verificar as dimensões das peças impressas em 3D e confirmar a sua qualidade de fabrico.

Portanto, mesmo que os seres humanos transfiram gradualmente algumas responsabilidades para as máquinas, o seu papel na conceção e fabrico de peças continua a ser indispensável para controlar a qualidade, uma vez que devem validar se as peças impressas em 3D estão em conformidade com os ficheiros CAD. Assim, mesmo que o erro humano seja eliminado, o facto é que a máquina não é perfeita. As dimensões e a qualidade das peças impressas em 3D ainda devem ser rigorosamente controladas com sistemas de medição 3D precisos.

Para este feito, a Lincoln Electric Additive Solutions recorreu à tecnologia de medição 3D da Creaform, o MetraSCAN 3D, para gerar modelos completos de superfícies 3D das suas peças metálicas impressas em 3D e compará-los com o CAD original. Desta forma, a equipa de inspeção pode verificar rapidamente se cada caraterística cumpre tanto a intenção original do projeto como as tolerâncias esperadas.

A automatização também afeta o controlo de qualidade. As unidades de produção, nas quais era habitual encontrarem-se soluções de digitalização 3D manuais, estão agora a dar lugar a sistemas automatizados de inspeção de qualidade. Estas células robóticas, constituídas por poderosos scanners óticos 3D montados em robôs, melhoram a qualidade de várias formas: eliminam os erros humanos, melhoram a repetibilidade e a precisão, permitem a criação de peças mais complexas e identificam os erros ao longo do processo.

Portanto, a automatização torna a inspeção de peças mais rápida e a qualidade do produto mais precisa e repetível, o que garante que os produtos são fabricados com os mais altos níveis de qualidade e que podem chegar ao mercado de forma mais eficiente.

Robôs que realizam todas as operações desde a manipulação até ao controlo de qualidade, algoritmos que criam as melhores geometrias de acordo com as restrições de engenharia, impressoras 3D de qualidade industrial que produzem todo o tipo de peças independentemente do tamanho, complexidade e materiais: já existem todos os elementos para que as empresas construam a sua fábrica do futuro. Os desafios impostos pela Covid-19 e pelo impacto da mesma na mão de obra são incentivos adicionais para a realização desta mudança tecnológica e inovadora. De uma forma ou de outra, quanto mais as empresas assumirem a liderança, mais valerá a pena investirem nos seus resultados em termos de produtividade e competitividade.

Embora as máquinas sejam mais eficientes do que os seres humanos e a inteligência artificial seja capaz de aprender ao longo do tempo com dados pré-alimentados e experiências passadas, elas não podem aprender a pensar fora da caixa e, portanto, não podem ser criativas na sua abordagem. Portanto, o génio humano, a criatividade, a inteligência emocional e o sentido de ética continuarão a ser componentes essenciais da fábrica do futuro.

Em última análise, os métodos de fabrico continuarão a evoluir ao mesmo ritmo que são desenvolvidos novos meios de conceção. Enquanto a qualidade continuar a ser um imperativo, esta sinergia desencadeará possibilidades de criação e produção de um número infinito de novas peças ainda não vistas nem imaginadas.