Impactos da Indústria 4.0 no setor de transformação de plástico

Ao analisarmos os impactos da digitalização, ou indústria 4.0 no setor de plásticos e borracha, podemos perceber que nas mais diversas áreas, as novas tecnologias aplicadas isoladamente ou em conjunto, proporcionam avanços significativos na redução do tempo e custos de desenvolvimento de novos produtos, bem como nos custos de produção.

Para que seja possível um entendimento desses diferentes impactos, abordaremos a cadeia de valor do setor, partindo da matéria prima, até o produto final, apresentando como as principais tecnologias, de forma não exaustiva, e as aplicações práticas já identificadas.

Desenvolvimento de novas matérias-primas

No desenvolvimento de novos materiais poliméricos, um dos segredos é encontrar a relação entre a estrutura e as propriedades físicas. Com esta informação, a estrutura química de um polímero pode ser inserida em um computador e é possível realizar experimentos virtuais de síntese que simulam as interações entre moléculas. Isso permite prever a estrutura de agregação dos polímeros. Ao investigar a relação com as propriedades físicas medidas, é possível esclarecer a relação entre a estrutura e as propriedades físicas, o que ajuda no desenvolvimento de materiais.

Com o uso da capacidade de computação em nuvem, computação quântica e da Inteligência Artificial, será possível realizar as simulações com maior grau de complexidade, incluindo múltiplos materiais, em um tempo cada vez mais reduzido. Esse novo ambiente possibilitará o desenvolvimento de matérias primas com características ainda mais avançadas, como autorregeneração, alterações de cor e forma em função de estímulos externos.

Essa possibilidade de simulação se traduz no que é conhecido na Indústria 4.0 como o “Gêmeo Digital”, onde se torna possível, por meio da simulação computacional, comparar e até sincronizar o comportamento de um elemento real com seu gêmeo virtual, figura 1.

Figura 1 - DABBF, oxigênio, arilbenzofuranona (ABF) e seus orbitais de fronteira

Fonte: Programa de Pós-Graduação em Nanociências e Materiais Avançados – UFABC – Universidade Federal do ABC (http://nano.ufabc.edu.br/2016/09/07/simulacao-computacional-de-materiais/)

Criação de novos materiais possibilitando a impressão 4D

Na impressão 4D temos uma quarta dimensão que seria o tempo. Isso significa que mesmo depois de ser produzido pela impressora, o material pode ter sua forma alterada sozinha.

Para isso são utilizadas matérias-primas chamadas de inteligentes, como os materiais com efeito de forma. O efeito de memória de forma permite que o material seja deformado plasticamente e quando aquecido volte instantaneamente à sua forma original, a figura 2 apresenta um modelo que com o tempo, muda de forma.

Figura 2 - Estágios de um objeto impresso em 4D

Fonte: Reprodução/MIT

Aplicações da impressão 4D

A indústria que mais se beneficia com esse tipo de processo e de material é a robótica. O mercado necessita de robôs mais precisos e com movimentos suaves, o que é chamado de soft robots. Acredita-se então que os materiais provenientes da impressão 4D podem auxiliar na confecção desses robôs e ajudar a indústria médica, por exemplo. Além disso, no futuro esses materiais podem fazer parte de componentes que se montam sozinhos, facilitando o armazenamento.

Fonte: Raviv, Dan, et al. “Active printed materials for complex self-evolving deformations.” Scientific reports 4 (2014).

Moldes e ferramentas se beneficiam com a manufatura aditiva de metais

A utilização dos conceitos de digitalização e simulação associados a meios de produção como manufatura aditiva de metais e Rapid Tooling, está permitindo a criação de ferramentas em processos rápidos e totalmente automatizados. Integração e automatização do ciclo completo desde a concepção do produto, criação e montagem da ferramenta na máquina e manutenção.

O desenvolvimento das ferramentas já não depende exclusivamente da experiência do projetista, pois conta agora com o apoio de avançados softwares de análise e simulação, que previnem os potenciais defeitos dos processos de injeção e moldagem, veja a figura 3.

Figura 3 - Software de simulação de processo de injeção

Fonte: SolidWorks 3D

Novos processos híbridos de fabricação combinam usinagem com novas técnicas de deposição e fusão de metais, com aplicação de pó metálico e laser, permitindo a adição de diversos materiais em perfis complexos.

Esses processos se mostram muito viáveis na construção e manutenção dos moldes de injeção de plásticos ou nas ferramentas de moldagem de elastômeros, uma vez que materiais nobres podem ser adicionados na quantidade exata para atingir o perfil desejado, e posteriormente usinados, obtendo-se grande economia no uso destes materiais de custo elevado.

Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=24VmCzT12mk&t=2s

Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=Ens_f2eSXYU

A evolução das máquinas

Novas gerações de máquinas injetoras de plásticos, com tecnologia híbrida, dotada de acionamento elétrico nos movimentos de fechamento, extração e plastificação. Em que o movimento de injeção é feito por acionamento hidráulico, a partir de um acumulador com controle efetuado por servo válvula.

As injetoras híbridas trazem maior vantagem competitiva na redução do consumo de energia e no aumento da produtividade, com os recursos de simultaneidade total e maior velocidade em todos os movimentos, além de atender aplicações mais extremas. Elas também possuem sistema de regeneração de energia para aproveitar a corrente elétrica gerada durante as frenagens dos movimentos, como demonstra a figura 4.

Figura 4 - Máquina injetora de plásticos com tecnologia híbrida

Fonte: Internet

A conectividade e comunicação M2M estão possibilitando reprogramação, atualização, diagnóstico e manutenção remota reduzindo drasticamente os tempos de parada e custos de manutenção. Setups automáticos serão fundamentais na integração e flexibilização do processo produtivo para ganho energético.

É possível ainda comprovar o aumento da eficiência energética e redução de refugos por falha do processo, pelo monitoramento constante das variáveis do processo e seus respectivos ajustes automáticos.

A possibilidade de verificação e determinação dos parâmetros de processos mais eficazes pelo uso da virtualização das máquinas e suas ferramentas, está reduzindo o tempo de lançamento de produtos e proporciona redução de custos operacionais.

Um exemplo de aplicação dessas tecnologias pode ser observado na operação da Injetora hibrida integrada com sistemas de automação para manipulação de peças, verificação de vazamentos e inspeção por processamento de imagem.

Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=mXsbdlof940

Processos de produção com manufatura aditiva

O processo de Manufatura Aditiva já é conhecido há algum tempo, e vem trazendo grandes benefícios nas fases de validação de produtos, em que é possível a construção de protótipos das peças a serem injetadas, e com isso evitar enormes despesas com ferramental para o processo de validação. Agora estamos presenciando a aplicação deste processo em substituição aos processos tradicionais de injeção, especialmente para produtos com lotes muito pequenos, ou ainda para produção de peças de reposição.

O sucesso da manufatura aditiva depende de dois fatores: de um processo preciso de impressão tridimensional e de materiais de alto desempenho, que apresentem características adequadas de fusão e contração para esse processo, mas que não percam as propriedades necessárias ao longo de seu tempo de vida útil.

Conforme a aplicação, tais propriedades poderão incluir resistência ao desgaste, agentes químicos, ácidos, solventes, altas temperaturas, etc. Alguns novos materiais utilizados no processo de manufatura aditiva podem apresentar resistência ao desgaste até 50 vezes superior à dos plásticos convencionais. Outros compostos apresentam resistência a antissépticos e a temperaturas de até 100 °C (a longo prazo) ou de até 180 °C (em curtos períodos), o que os torna adequados para a fabricação de componentes usados na indústria farmacêutica ou alimentícia.

O Instituto Fraunhofer para Tecnologia e Automação da Produção, localizado em Stuttgart, Alemanha (www.ipa.fraunhofer.de), desenvolveu um equipamento para manufatura aditiva em que a impressora tridimensional dá lugar a um robô, e oferece novas possibilidades de movimentação para o cabeçote de impressão.

Enquanto os sistemas convencionais de deposição de camadas trabalham com três eixos, o robô proposto trabalha com seis, podendo configurar livremente a camada no espaço, processo esse que foi denominado Free Space Fabrication (fabricação no espaço livre). Essa nova solução torna possível o uso de resinas com fibras contínuas, permitindo a fabricação de peças em compósitos, com alta resistência mecânica.

A fibra é incorporada ao fluxo de resina fundida no momento da impressão, permitindo aumentar em dez vezes a resistência mecânica do material por conta de seu efeito de reforço.

Fonte: ARANDA EDITORA TÉCNICA E CULTURAL / ARANDA EVENTOS E CONGRESSOS. Disponível em: <http://www.arandanet.com.br/revista/pi/materia/2016/12/24/k2016. html>. Acesso em 20 de jan. 2018

A integração horizontal e vertical dos processos

Fluxo de dados desde o chão de fábrica até os sistemas de gestão, através da integração vertical dos processos, trazendo transparência, velocidade na tomada de decisão e a otimização constante dos processos.

Informações geradas na especificação e compra de um produto sendo utilizadas nos processos produtivos e de logística pela integração horizontal da cadeia de valor. Ultrapassar os limites da empresa contemplando também os processos nos fornecedores e clientes.

Integração horizontal

A integração horizontal é sobre a digitalização em toda a cadeia de suprimentos/valor. Quando falamos digitalização, isso quer dizer que a troca de dados e o fluxo de informação conectando todos os envolvidos na cadeia de valor. Este será um desafio para todas as organizações, industriais ou não.

Por isso, as indústrias que se preocuparem em estudar mais sobre essa integração na indústria 4.0, terão grandes chances de explorarem um oceano azul pela frente, a figura 5 demonstra o esquema da integração horizontal.

Figura 5 - Integração horizontal

Fonte: I-Scoop

Integração vertical

A integração vertical trata da integração de sistemas em vários níveis de produção e fabricação hierárquico, em uma solução abrangente, que tem como objetivo fazer com que a informação possa fluir verticalmente, desde o chão de fábrica até os sistemas de gestão e tomadas de decisão da empresa.

Os níveis hierárquicos encontrados na indústria são:

Nível de chão-de-fábrica: Interface com o processo de produção através de máquinas, sensores e atuadores.

Nível de controle: Sistemas empregados para regular e controlar as máquinas e outros sistemas.

Nível de produção: Utilizado para monitorar e controlar, integrandos várias máquinas e processos.

Nível de operações: Gestão e Planejamento de produção, gerenciamento de qualidade e assim por diante.

Nível de planejamento empresarial: Gerenciamento da cadeia de valor, planejamento geral dos recursos da empresa, realizando o monitoramento de desempenho da fábrica e etc. Veja a figura 6.

Figura 6 - Integração horizontal

Fonte: I-Scoop

Em uma visão mais simplificada, temos que, as soluções e tecnologias típicas na integração vertical são:

PLCs: Responsáveis por controlar os processos de fabricação e se encontram no nível de controle.

SCADA: Sistema que permite monitorar, controlar e supervisionar várias tarefas de nível de produção.

MES: É um sistema de execução de fabricação para o gerenciamento do nível operacional da planta.

ERP: É o sistema inteligente da empresa para o nível de planejamento empresarial, o nível mais alto da hierarquia.

Sendo assim, a integração dos processos, de moldagem de borracha e de injeção de plásticos, à Indústria 4.0 também inclui a interligação das máquinas às redes corporativas.

Essa integração do chão de fábrica até os sistemas de ERP, possibilitam carregar automaticamente os dados dos novos moldes e realizar os ajustes às suas especificações, facilitando assim a produção de lotes menores. Com o crescente interesse dos consumidores por produtos personalizados, deve crescer essa necessidade de produção de lotes menores.

Peças/Produtos

O desejo por produtos que atendam necessidades específicas e individuais aumenta proporcionalmente ao aumento da disponibilidade de informação, e ao acesso às redes sociais. Esse desejo de consumo não é apenas pelo novo, mas também pelo inédito, criando uma geração ansiosa por receber mercadorias tão logo comprem.

Com a adoção de soluções hibridas de produção, utilizando processos de moldagem convencionais, associados à Manufatura Aditiva, Gravação Laser e Impressão por Jato de Tinta, já é possível atender demandas específicas dos consumidores.

Em áreas como aeroespacial, empresas fabricantes de aviões criam peças plásticas por processos de manufatura aditiva, quer seja para funções de itens do mobiliário, como também itens funcionais, como por exemplo, dutos de ar condicionado.

Personalização

O desafio de atender individualmente os consumidores, fornecendo produtos fabricados de acordo com suas preferências deixa de ser utopia com a Indústria 4.0. Nesse novo ambiente, podemos considerar novos processos de negócio, com o consumidor determinando características funcionais, e não apenas estéticas do produto.

A integração horizontal traz a possibilidade de produção sob encomenda em ambientes fabris de itens individualizados ou com características individualizadas por meio de manufatura aditiva combinada com processos tradicionais de fabricação. Em que o fundamental é que a informação sobre o que o consumidor deseja, possa fluir desde o momento da compra até a logística para a entrega.

Já é possível identificar novos modelos de negócio baseados na personalização de produtos, em que muitas vezes, não se trata apenas de questões estéticas, mas também de questões funcionais do produto, como é o caso do projeto SpeedyFactory, da Adidas, que se propõe fornecer um calçado esportivo sob medida.

Esse projeto contempla não apenas a fabricação, mas desde a tomada das medidas, e nesse caso também da “pisada” do cliente, que é medida no momento da compra. Depois de coletados os dados do cliente, tudo é transmitido automaticamente para a fábrica, e um novo produto é engenheirado, planejado e fabricado em um processo que cria um produto único e o entrega ao consumidor.

Vídeo Adidas: https://www.tecmundo.com.br/tecnologia/91722-speedfactory-fabrica-automatizada-adidas-cria-calcados-rapidamente.htm

Por Paulo Roberto dos Santos – Diretor da Zorfatec