Fabricação inteligente: o futuro da produção é digital

• Indústria 4.0 abre caminho para fabricação inteligente
• O que é fabricação inteligente?
• Por que as empresas devem adotar a fabricação inteligente?
• Como iniciar a jornada da fabricação inteligente: criar uma base digital
• Análise de 10 tecnologias de fabricação inteligente
• Qual é o impacto da fabricação inteligente?
• Como fazer a transição para a fabricação inteligente

Indústria 4.0 abre caminho para fabricação inteligente

As tecnologias da quarta revolução industrial (Indústria 4.0) – robótica conectada, impressão 3D, computação em nuvem, inteligência artificial (IA) e a Internet das Coisas (IoT) – possibilitaram o advento da fabricação inteligente e aceleraram a inovação de forma surpreendente.

O alvorecer da fabricação mecânica ocorreu durante a primeira revolução industrial em meados do século XVIII, movido a água e vapor. Dois longos séculos depois, a eletricidade possibilitou as linhas de montagem de produção em massa e a divisão do trabalho da segunda revolução industrial. O rápido progresso resultou na terceira revolução industrial por volta de 1970, quando os computadores e a tecnologia da informação automatizaram alguns processos industriais e sofisticaram a comunicação.

O termo Indústria 4.0 surgiu em 2011. Desde então, as tecnologias associadas a esse movimento evoluíram e passaram a permitir uma modalidade de produção interconectada, altamente automatizada e com riqueza de dados, conhecida como “fabricação inteligente”.

O que é fabricação inteligente?

Segundo Paul Wellener, vice-presidente e líder de produtos industriais e construção civil nos Estados Unidos da Deloitte LLP, o conceito de fabricação inteligente está relacionado à ampla digitalização de todas as práticas de fabricação, desde a fábrica até todos os aspectos do negócio. Isso inclui o projeto de produtos, a cadeia de suprimentos, a produção, a distribuição e as vendas.

A fabricação inteligente impulsiona a Indústria 4.0, que se caracteriza por sistemas ciberfísicos interconectados, como os robôs inteligentes e as máquinas que fazem autodiagnóstico e avisam sobre possíveis falhas. Com a propagação da IoT, surgem máquinas e dispositivos mais avançados, com sensores inteligentes que fazem a transferência contínua de fluxos de dados úteis para a nuvem, para fins de análise.

Esses conjuntos de “big data” são interpretados por meio da inteligência artificial (IA) com aprendizado de máquina, um recurso que se torna mais preciso e preditivo à medida que absorve mais dados. A automação e a conectividade de dados propiciam cadeias de suprimentos mais ágeis, em que os navios e caminhões “conversam” com depósitos, veículos autônomos ou semiautônomos e drones. Robôs móveis e cobots (robôs colaborativos) também são integrados a esse processo, automatizando ainda mais o envio e a logística.

A fabricação inteligente ajuda os fabricantes a se tornarem mais eficientes, a se manterem à frente da concorrência e investigar novas práticas e modelos de negócios.

Por que as empresas devem adotar a fabricação inteligente?

As empresas devem adotar a fabricação inteligente para otimizar os processos, aumentar a produtividade, manterem-se competitivas e prepararem-se para o futuro – inclusive para acontecimentos sem precedentes, como uma pandemia.

A instituição sem fins lucrativos MESA (Manufacturing Enterprise Solutions Association) tem uma pesquisa de opinião permanente em que pergunta às empresas qual é o principal desafio que está atrasando seu avanço em direção à fabricação inteligente. Cerca de 58% das empresas mencionaram preocupações de ordem financeira ou falta de conhecimento sobre as tecnologias correspondentes. De fato, a adoção da fabricação inteligente requer investimentos consideráveis em recursos financeiros e humanos e implica certo risco.

No entanto, o Smart Factory Study, realizado em 2019 pela Deloitte e pela MAPI (Manufacturers Alliance for Productivity and Innovation), concluiu que as iniciativas de fábrica inteligente são proveitosas para todos os fabricantes, até mesmo para aqueles que ainda não adotaram essas práticas – e que, de modo geral, os benefícios dessas iniciativas compensam os riscos financeiros e operacionais.

O estudo dividiu os participantes em dois grupos: o grupo A (49% das empresas) não tinha qualquer iniciativa de fábrica inteligente em andamento; e o grupo B (51%) tinha algumas iniciativas de fábrica inteligente em andamento. O estudo verificou que o índice de produtividade do grupo A teve uma queda provável de 2,3% ao ano entre 2015 e 2018. Já o grupo B observou um aumento da produtividade média anual de 3,3% no mesmo período. Além disso, as empresas do grupo B apresentaram um aumento médio de 10% na produção e de 11% na utilização da capacidade da fábrica.

A maioria das empresas que ainda não estão implementando a fabricação inteligente reconhece a importância dessa prática. “Segundo o estudo, 86% dos fabricantes consultados acreditam que em cinco anos as soluções de fabricação inteligente serão o principal fator de competitividade”, comenta Wellener. “Isso enfatiza como as competências de fabricação inteligente serão importantes para tornar os fabricantes competitivos nos próximos anos.”

Apesar da desaceleração da economia em 2020 e das interrupções na cadeia de suprimentos causadas pela pandemia da COVID-19, agora é o momento em que as empresas precisam considerar a possibilidade de adotar iniciativas de fabricação inteligente para se manterem competitivas. Na verdade, um novo estudo da Deloitte e da MAPI publicado em outubro de 2020, intitulado Accelerating Smart Manufacturing, revela que muitos fabricantes ampliaram as tecnologias de fabricação inteligente em 2020 e é provável que continuem fazendo isso em 2021.

“Executivos compartilharam exemplos de várias medidas adotadas, como a instalação de sistemas de visão computacional para permitir a visita virtual dos clientes à fábrica, a adoção de dispositivos vestíveis para a equipe de linha de montagem, que avisam quando o operário entra no raio de 2 metros do espaço particular de um colega, e até mesmo a rápida implantação de cobots para aumentar a força de trabalho, já que os operários não podem mais ficar posicionados ombro a ombro na linha de montagem”, explica Wellener.

Segundo Srinath Jonnalagadda, vice-presidente de estratégia de entrada no mercado e marketing de projeto e fabricação da Autodesk, trata-se apenas de uma questão de tempo e que, mais cedo ou mais tarde, todos os fabricantes terão de adotar tecnologias de fabricação inteligente. “É realmente uma questão existencial”, comenta Jonnalagadda. “Na minha opinião, não há outro caminho para a convergência dos mundos físico e digital.”

Como iniciar a jornada da fabricação inteligente: criar uma base digital

Para as empresas interessadas na fabricação inteligente, mas que se sentem intimidadas pelas barreiras financeiras e técnicas, a boa notícia é que não precisam fazer a transição das fábricas de forma drástica. Na verdade, o Smart Factory Study mostra que pequenas etapas costumam resultar em grandes vitórias. De modo geral, as empresas de sucesso consultadas nesse estudo começaram por garantir o apoio dos executivos da diretoria – principalmente do diretor de tecnologia – e por lançar vários projetos pequenos com investimento inicial baixo. Com a vinculação desses projetos a métricas empresariais mensuráveis, essas empresas puderam usar os primeiros resultados positivos como incentivo para buscar outros investimentos.

Jonnalagadda recomenda que os fabricantes que estejam iniciando a jornada da fabricação inteligente comecem por converter seus dados analógicos para o formato digital. É preciso eliminar os processos analógicos manuais e buscar um sistema que registre tudo em um banco de dados digital. Esses são os dados básicos para criar ciclos de feedback por meio da inserção de mais informações relacionadas aos processos da fábrica. Esses dados de entrada adicionais podem ter origem nos dados dos sensores, mas também podem ser inseridos pelos trabalhadores nas diversas etapas do processo.

“À medida que você obtém cada vez mais pontos de dados, passa a ter uma noção melhor do que está acontecendo”, explica Jonnalagadda. “Isso possibilita uma verdadeira compreensão da situação atual. Você percorre esse processo de esclarecimento, por assim dizer. Ao tomar ciência do que está acontecendo na fábrica, você pode identificar os gargalos.”

Quando os dados revelam problemas, os fabricantes começam a pensar em fazer mudanças em várias dimensões – esse é o momento propício para acrescentar mais recursos computacionais e algoritmos. “Você deixa que os algoritmos apresentem as várias possibilidades de análise para determinar o melhor caminho a seguir, e isso é o Santo Graal”, observa Jonnalagadda. “Agora você tem uma base digital. Os dados de entrada e ciclos de feedback dão uma noção da situação, e os algoritmos oferecem opções para continuar a otimizar as operações da fábrica.”

Análise de 10 tecnologias de fabricação inteligente

As tecnologias inteligentes estão em constante desenvolvimento. A fabricação inteligente, por exemplo, não exige uma nova rede de celular 5G, mas a conectividade 5G reduz a dependência de hardware e Wi-Fi, pode simplificar as configurações e oferece maior largura de banda do que a 4G.

As tecnologias descritas a seguir representam os princípios da fabricação inteligente de ponta, mas não são isoladas. É comum um dispositivo, máquina ou sistema conter várias dessas tecnologias. Um dispositivo IoT, por exemplo, pode ter sensores com conexão sem fio à nuvem, mas também ter processadores internos com IA que podem enviar alertas ou tomar decisões de processo de forma independente.

1. IA/aprendizado de máquina

A IA/aprendizado de máquina caminha lado a lado com a análise de dados da fabricação inteligente, uma vez que pode processar os dados e reconhecer padrões nessas informações com mais rapidez do que os seres humanos. Em geral, certo grau de IA é incorporado aos cobots e outros sistemas robóticos das fábricas inteligentes. Com a queda dos preços de IA, essa tecnologia também está sendo adotada nos microprocessadores de dispositivos IoT de computação de borda e nas máquinas da fábrica inteligente. A visão computacional baseada em IA também pode obter informações das imagens de vídeo da fábrica. Por exemplo, a análise baseada em IA das linhas de montagem manual, realizada pela Drishti, pode oferecer treinamento aos operários, reduzir a ocorrência de defeitos de produto, otimizar processos e muito mais.

2. Realidade aumentada/realidade virtual

A realidade aumentada (RA) e a realidade virtual (RV) têm aplicações diferentes na fabricação inteligente. No momento, essas tecnologias são de grande importância para o treinamento no trabalho, ajudando a reduzir a lacuna de habilidades dos funcionários. Desde o início da pandemia, o setor de fabricação inteligente dobrou os investimentos em RA/RV para treinamento e contratação de experiência remota para reparos ou outras orientações. Com os óculos de realidade mista HoloLens 2 da Microsoft, por exemplo, um funcionário da fábrica pode receber instruções de um especialista remoto que, basicamente, consegue ver o que se passa na fábrica pelos olhos do funcionário.

3. Automação/robótica

O uso da robótica na fabricação inteligente também está se tornando mais diversificado e colaborativo com o aumento da popularidade dos cobots em função das determinações de distanciamento social. Os robôs e as máquinas automatizadas variam quanto aos níveis de IA, tomada de decisão autônoma, capacidade sensorial, habilidade de comunicação e mobilidade. No entanto, de um modo geral, os sistemas robóticos utilizados na fabricação inteligente reúnem um grande volume de dados e estão conectados à nuvem e à fábrica inteligente como um todo.

4. Fabricação aditiva/fabricação híbrida

A fabricação aditiva, também conhecida como impressão 3D, revolucionou a prototipagem rápida e agora está suplementando a fabricação tradicional com produtos acabados – ou até mesmo infraestrutura como pontes e prédios de pequeno porte. A expectativa é que seja utilizada também na produção em massa. No momento, a fabricação híbrida combina a fabricação aditiva em metal com a fabricação subtrativa em uma única máquina para reduzir ainda mais o desperdício de material e produzir peças com rapidez.

5. Análise de big data

A tecnologia de big data tem influência sobre boa parte da fabricação inteligente. Em alguns casos, são os dados que definem o aspecto “inteligente” de uma tecnologia. A fabricação inteligente orientada por dados favorece o aprendizado de máquina e conta com a nuvem para armazenamento e processamento. No entanto, a análise de big data também é fundamental para outras áreas da fabricação inteligente, além da fábrica propriamente dita, fornecendo informações para a tomada de decisões em logística, avaliação de risco, estruturas de custo, estratégias de crescimento, controle e melhoria da qualidade, montagem sob encomenda e outros padrões de vendas, e serviços de pós‑venda.

6. Computação em nuvem

Com a computação em nuvem, os dados dos sensores de IoT são armazenados e analisados com o auxílio de algoritmos de IA/aprendizado de máquina de servidores externos. Um exemplo de como a nuvem pode contribuir para a fabricação inteligente é a Nuvem Industrial Volkswagen, que combina todos os dados das 122 unidades do grupo Volkswagen e os processa em tempo real para fazer melhorias. A meta de longo prazo da Volkswagen é conectar mais de 30 mil unidades de 1.500 fornecedores no mundo todo à Nuvem Industrial e, possivelmente, criar um mercado para software de fabricação inteligente.

7. Usinagem CNC

As máquinas avançadas de controle numérico computadorizado (CNC) efetuam operações precisas de fresagem multiaxial, torneamento, corte, perfuração, entre outras, com base nos projetos e modelos de software de fabricação auxiliada por computador (CAM). Em geral, as máquinas CNC da fabricação inteligente têm sensores sem fio como parte da IoT.

8. Projeto para fabricação

O projeto para fabricação (DFM), ou projeto para fabricação e montagem (DfMA), é uma metodologia de projeto que possibilita e otimiza a pré-fabricação por meio de um conjunto de princípios e opções de projeto. Os produtos e componentes são criados especialmente para fabricação e para tornar os processos de fabricação mais fáceis e mais econômicos. Essa tecnologia implica o uso de software especializado de CAD (projeto auxiliado por computador) e CAM no projeto e na produção.

9. IoT/computação de borda

De modo geral, a Internet das Coisas (IoT) é composta de dispositivos de fabricação inteligente, máquinas, robôs etc. Esses equipamentos, portanto, contêm sensores conectados à rede sem fio que fazem a transferência de dados para análise. Com a queda do custo dos sensores, cada vez mais processadores de baixo custo também estão sendo utilizados nos dispositivos IoT. Isso permite executar as tarefas computacionais localmente antes de fazer a transferência para a nuvem. Esse processo é conhecido como computação de borda. O termo Internet Industrial das Coisas (IIoT) está relacionado às máquinas IoT em uma linha de produção, que geralmente podem tomar decisões preditivas com base em dados de entrada que reduzem os custos e o desperdício.

10. Simulação/gêmeos digitais

A fabricação inteligente usa software de simulação para criar “gêmeos digitais” de peças físicas e produtos, que podem passar por processos digitais de teste, validação e otimização antes da fabricação. A importância da simulação aumenta à medida que o gêmeo digital se torna uma representação física mais precisa.

Qual é o impacto da fabricação inteligente?

A fabricação inteligente pode ajudar uma empresa a usar seus recursos com mais eficiência, bem como aumentar a segurança e facilitar o treinamento dos funcionários. Segundo o presidente do Comitê do Conhecimento da MESA, Khris Kammer, a fabricação inteligente também pode tornar a empresa mais ágil. “Observe quantas empresas passaram a fabricar outros produtos durante a pandemia da COVID-19, como equipamentos de proteção individual (EPI) ou dispositivos médicos específicos”, comenta Kammer. “Isso só foi possível porque essas empresas tiveram a agilidade necessária para adicionar um novo produto ao ambiente de fabricação, reequipar-se, retreinar a equipe e produzir o novo produto com muita rapidez.”

Kammer acrescenta que as empresas de fabricação inteligente podem produzir seus produtos com agilidade e participar da tendência de “personalização em massa”, que permite a entrega de produtos em pequeno volume e alta variabilidade. Isso pode resultar em novos modelos de negócios com base em assinaturas ou produtos do tipo “lot size one” (lote unitário). “Então, em vez de sofrer pressão da cadeia de suprimentos, você acaba impulsionando algumas inovações nela, e isso é empolgante”, observa Kammer.

A fabricação inteligente pode ajudar a melhorar os resultados das empresas e do setor de fabricação como um todo. Outro novo modelo de negócios que a fabricação inteligente viabilizou, a fabricação como serviço (MaaS), pode ajudar a tornar a cadeia de suprimentos mais resiliente a interrupções, como as ocorridas em 2020. A MaaS, ou como o fornecedor Xometry costuma chamá-la, fabricação por encomenda, estabelece a correspondência entre as necessidades de fabricação e os fornecedores que dispõem da capacidade extra para supri-las – como “a Uberização da fabricação”, comenta Jonnalagadda. Da mesma forma que os serviços de viagem compartilhada dependem do aprendizado de máquina para correlacionar motoristas a passageiros com muita rapidez, a MaaS requer aprendizado de máquina para correlacionar fabricantes e consumidores de forma rápida e eficaz.

O estudo Accelerating Smart Manufacturing se concentra em outro desenvolvimento que tem implicações em todo o setor: o “efeito rede” se beneficia de ecossistemas de fabricação inteligente, onde várias empresas e entidades trabalham em conjunto, adotando tecnologias conectadas avançadas para alcançar objetivos comuns.

Alguns exemplos incluem as iniciativas de fabricação em resposta à COVID-19, como o esforço comunitário de fabricação aditiva America Makes. Essa iniciativa ofereceu um portal para que projetistas, fabricantes e o setor de saúde pudessem trabalhar em conjunto na fabricação de mais de 280 mil unidades de EPI em dois meses.

Os ecossistemas de fabricação inteligente se beneficiam mutuamente em qualquer circunstância porque compartilham o acesso à inovação e ao conhecimento coletivo. O estudo constatou que os fabricantes da Fortune 500 com mais de 15 alianças estratégicas tiveram, em 2019, um aumento da receita em relação ao ano anterior duas vezes maior do que os fabricantes com menos alianças. As empresas que compõem os ecossistemas de fabricação inteligente também apresentaram um ritmo mais acelerado de lançamento de produtos e serviços, uma maior capacidade de inovação, um amadurecimento mais rápido da sua tecnologia digital e um melhor desempenho na redução de custos operacionais.

Impacto da fabricação inteligente na sustentabilidade

Algumas tecnologias de fabricação inteligente promovem, por si só, a utilização eficiente dos recursos. O uso de software de simulação, por exemplo, pode reduzir bastante o volume de resíduo físico, uma vez que transfere muitos testes físicos (como os de colisão de veículos) para ambientes simulados. A simulação também pode prever a durabilidade e a vida útil de vários materiais e testar materiais alternativos para produtos finais com mínimo impacto para o planeta, observa Jonnalagadda. Além disso, o DFM pode atribuir benefícios sustentáveis a um produto. O software de projeto generativo, por exemplo, utiliza IA para gerar uma variedade de opções de projeto que podem reduzir o peso do produto e a quantidade de material necessária, sem alterar a resistência e o custo.

Com a intenção correta, a fabricação inteligente pode contribuir ativamente para as metas de sustentabilidade. Com previsão de lançamento online em 2021, a Smart Factory @ Wichita (uma iniciativa conjunta da Universidade do Estado de Wichita, nos EUA, e da Deloitte) vai incluir uma linha de produção completa para demonstrar como combinar os ativos de fabricação existentes com as tecnologias de fabricação inteligente, como sistemas robóticos, impressão 3D, digitalizadores a laser 3D, sistemas de RA/RV, software de simulação e de visualização, e muitos outros recursos. As instalações inteiramente novas também estarão situadas em um edifício inteligente com emissão zero em uma rede inteligente. O objetivo do programa é mostrar que a tecnologia inovadora de uma fábrica inteligente pode proporcionar sustentabilidade ao otimizar as operações para reduzir o impacto ambiental.

Alguns consultores da Indústria 4.0, como o think tank da Bernard Marr & Co., estão otimistas em relação ao potencial dessas tecnologias. Segundo eles, com uso adequado dessas tecnologias, a gestão de ativos otimizada pode ajudar a regenerar o ecossistema do planeta e reverter os danos ambientais causados pelas práticas e revoluções industriais do passado.

Como fazer a transição para a fabricação inteligente

O relatório técnico “Smart Manufacturing – The Landscape Explained”, publicado pela MESA em 2016, recomenda o estabelecimento de padrões do setor para dados e comunicação, com o objetivo de promover a interoperabilidade entre o software e as máquinas de fabricação inteligente. Boa parte do setor concorda que isso é essencial para facilitar a transição para a Indústria 4.0.

“Existem inúmeros padrões, com muitas empresas seguindo os mais diversos formatos patenteados, e não há conectividade entre o software e todos esses padrões”, explica Jonnalagadda. Só para citar um exemplo, cada fornecedor de máquinas CNC tem um método próprio de gestão e conexão dos equipamentos. “Isso precisa mudar”, afirma. “É preciso que haja um sistema que se conecte a todos os tipos de máquina.”

Cibersegurança e proteção de dados também têm alta prioridade. Dos fabricantes consultados no estudo Accelerating Smart Manufacturing, 58% demonstraram estar preocupados com o risco de roubo de dados e de propriedade intelectual na participação em um ecossistema de fabricação inteligente.

Apesar desses problemas (que muitos acreditam que serão amenizados com o tempo, à medida que a fabricação inteligente alcançar massa crítica, mesmo em um momento de incerteza econômica), 62% das empresas consultadas no estudo Accelerating Smart Manufacturing estão continuando ou reforçando suas iniciativas tecnológicas.

“A adversidade muitas vezes favorece a criatividade e o progresso”, observa Kammer. “Grandes visionários estão tentando aproveitar algumas dessas tecnologias facilitadoras para fazer o que jamais conseguiram, como tornar mais rápido do que nunca o período desde a ideação e o projeto até o produto acabado. Acredito que a combinação da necessidade com tecnologias mais avançadas terá resultados muito positivos.”