Fabricando em 2050:O mundo virou de cabeça para baixo?

Tendências poderosas levarão a manufatura para perto da automação completa até 2050, enquanto as pessoas que ainda trabalham no setor terão o poder de inovar rapidamente como nunca antes.

Anos atrás, Warren Bennis previu que:“A fábrica do futuro terá apenas dois funcionários, um homem e um cachorro. O homem estará lá para alimentar o cachorro. O cachorro estará lá para evitar que o homem toque no equipamento.”

Ainda não chegamos lá. Mas uma série de tendências poderosas e interconectadas nos levarão para perto desse estado até 2050, enquanto as pessoas ainda na manufatura terão o poder de inovar e construir rapidamente como nunca antes.

Multitarefa e automação

É uma aposta segura que até 2050 a máquina-ferramenta média será totalmente automatizada e mais capaz. A multitarefa será comum, talvez quase universal. A tendência está bem estabelecida.

Como o veterano da indústria Scott Walker, presidente da Mitsui Seiki USA (Franklin Lakes, NJ), observou:“No início dos anos 2000, o mercado norte-americano de máquinas de cinco eixos era de 150. Hoje são 3.000. As máquinas também estão combinando retificação e fresagem, ou deposição de metal a laser e fresagem, ou retificação e encruamento.” Ele acrescentou que, embora o benefício seja a capacidade de realizar mais dentro do envelope de trabalho, o “pesadelo” tem feito com que todas essas funções funcionem de maneira adequada e consistente. “Mas isso mudará à medida que a tecnologia, o monitoramento e o software melhorarem.”

O elefante na sala de muitos fabricantes é até que ponto a impressão 3D irá alterar o mix de tecnologia e, além disso, suas implicações para o design de produtos e uma série de outros problemas. Até agora, as limitações de velocidade e os altos custos de matéria-prima da manufatura aditiva limitaram severamente sua viabilidade além da prototipagem. Mas Terry Wohlers, principal consultor e presidente da Wohlers Associates (Fort Collins, CO), disse que a velocidade “não será um inimigo” até 2050.

Pegue um sistema de leito de pó:A maior parte do tempo de produção está no rastreamento da superfície com o laser para fundir o material. “Mas os sistemas agora estão disponíveis com muitos lasers trabalhando simultaneamente em uma plataforma de construção”, disse Wohlers. “A energia de um feixe de elétrons pode ser dividida em até 100 feixes para ajudar a acelerar o processo”. Por outro lado, essas abordagens exigem muita energia, o que é caro. Wohlers acha que superaremos essas limitações, talvez “aproveitando a energia do sol diretamente para derreter o material, em vez de conectá-lo a uma tomada 440”.

Wohlers acrescentou que a deposição de energia direcionada é inerentemente mais rápida do que o método de leito de pó para construir componentes metálicos, mas “os usuários são limitados nos objetos que podem criar e há uma compensação na resolução, geralmente exigindo usinagem e, às vezes, uma quantidade significativa. ” Isso nos traz de volta aos sistemas híbridos que combinam usinagem aditiva com CNC. Assim como Walker, Wohlers acredita que os problemas para fazer com que essas duas abordagens funcionem harmoniosamente serão amplamente resolvidos nos próximos 32 anos.

Outro fator que defende um maior uso de técnicas aditivas é uma queda esperada nos custos de material e uma maior variedade de escolha. “As máquinas de hoje trabalham com apenas algumas dúzias de termoplásticos, por exemplo”, disse Wohlers, “mas milhares estão disponíveis para fabricação convencional”.

Talvez mais importante, os polímeros atualmente usados ​​na impressão 3D custam até 50 vezes mais do que polímeros similares para fabricação convencional. Isso coloca o ponto de equilíbrio entre centenas e milhares de unidades, dependendo do tamanho da peça. Mas Wohlers disse que muitas das patentes de máquinas que produzem peças com polímeros expiraram, levando a novas máquinas que usam materiais de baixo custo. “O ponto de equilíbrio melhorará drasticamente para que o aditivo desafie a moldagem por injeção para uma gama muito maior de produtos, incluindo aplicações de maior volume.”

Há um caso semelhante a ser feito para o metal, mas Walker, por exemplo, está cético de que o aditivo atinja um perfil de custo em metais que justifique a substituição dos métodos tradicionais. “É muito mais fácil aquecer 60 toneladas e enrolar chapas de metal do que construir algo com metal em pó ou revestimento”, disse Walker. “Eu vejo o aditivo como uma função que você pode colocar em um envelope de máquina para agregar valor ao processo. Mas não vejo o aditivo como um processo substituto para a fabricação de aço, a menos que a tecnologia mude e cheguemos ao ponto de manipulação molecular usando um tipo diferente de fonte de energia.”

A manufatura aditiva ainda tem um ás, pelo menos para alguns jogadores:a capacidade de criar formas que de outra forma seriam impossíveis. Isso não apenas abre o potencial para novos produtos e recursos, mas também ajuda a aliviar o problema de velocidade da impressão 3D. Isso porque uma estrutura de treliça aberta possibilitada pela impressão 3D pode atingir a resistência e a rigidez necessárias para muitas aplicações com muito menos material do que uma estrutura sólida. E a velocidade de produção da impressão 3D é diretamente proporcional ao volume cúbico do material. Estranhas novas estruturas se sobrepõem muito bem ao nosso próximo tópico.

Design criativo e automatizado

Na visão de Walker, a fabricação está pronta para alcançar seus maiores ganhos de produtividade em duas áreas, uma das quais é digitalizar todo o trabalho necessário para preparar um processo de fabricação. “Hoje um projetista começa com um modelo digital, e então gera um caminho de ferramenta… então alguém projeta um acessório… então você obtém um forjamento… corta sons e como fica… e eventualmente ele consegue que a máquina faça a peça… e então ele refina todos os movimentos para que possa reduzir o tempo de ciclo.” Na verdade, é ainda pior porque obter o design inicial também é complicado. Felizmente, muitas mentes brilhantes estão trabalhando duro para facilitar e acelerar cada parte desse processo.

No front-end, a tecnologia de design generativo está ajudando um grupo cada vez maior de criativos a explorar rapidamente novas possibilidades geométricas. No caso do Fashion 360 da Autodesk (San Rafael, CA), o software é executado na nuvem e usa aprendizado de máquina e inteligência artificial (IA) para gerar automaticamente centenas de designs que atendem aos critérios do designer de força, custo e método de fabricação , materiais e assim por diante. Além disso, explicou Bob Yancey, diretor de manufatura e estratégia de produção da Autodesk, os projetos “não são apenas uma geometria idealizada impossível de usar, são modelos CAD reais que podem ser manipulados em software CAD”.

Eles também são o que Yancey chama de “consciência de fabricação”, o que significa que eles começaram com os métodos de fabricação desejados incorporados como uma restrição desde o início. “Então, se você especificar que a peça precisa ser usinada em um CNC de cinco eixos, todas as suas opções de projeto estarão de acordo com essa restrição”, disse ele.

Isso não elimina a necessidade de um designer humano. Como Yancey colocou, “Descrever o desafio do projeto com precisão e experiência é uma habilidade de engenharia que não vai desaparecer. O que o software de design generativo faz é oferecer mais opções de design do que qualquer ser humano poderia conceber por conta própria, para que você tenha mais confiança de que está considerando muito mais opções e obtendo melhores resultados. Vemos isso como um futuro de cocriação entre engenheiro e computador, ou inteligência humana e inteligência artificial.”

Talvez mais profundos, os designs são muitas vezes surpreendentes e superiores ao que um humano teria imaginado. Como Diego Tamburini, principal líder do setor – Manufacturing Industry Communities / Cloud + AI Division for Microsoft (Redmond, WA), disse:“Se eu sentar na frente da minha ferramenta CAD para projetar uma peça, já tenho 1.000 preconceitos sobre como ela deve olhar baseado em séculos de projetos anteriores. A IA não tem essas noções. E embora eu concorde que automatizar o design é um problema difícil e é difícil imaginar um computador projetando itens complexos, temos que reconhecer que, inversamente, há muitos casos em que estamos vivendo com designs humanos abaixo do ideal.”

Alguns de nossos preconceitos derivam de nossa experiência com matérias-primas limitadas a blocos, barras e chapas. Mas a impressão 3D não se limita a essas matérias-primas. Nem é limitado nas formas que pode criar.

Se você remover essas restrições e deixar a IA funcionar, o design generativo geralmente cria formas que são “completamente diferentes do que estamos acostumados. Mais orgânicos, como ossos de animais”, disse Tamburini.
Wohlers ecoou isso e disse que a natureza oferece excelentes exemplos de estruturas com notável relação força-peso. Até recentemente, as impressoras 3D produziam estruturas treliçadas, malhas ou celulares definidas por programas enlatados com pouca compreensão de suas propriedades de resistência. “As mais novas ferramentas de otimização de topologia podem produzir estruturas de treliça e malha projetadas com certeza de resistência”, disse Wohlers. “No futuro, poderemos ver estruturas super leves em diferentes ligas metálicas que são mais leves que os compostos de fibra de carbono, o que é demorado para produzir e caro.”

Tamburini disse ter visto casos em que o computador apresenta uma forma de treliça que não inspira confiança no humano (parece muito leve e frágil), então o designer o cobre com algo para que pareça mais resistente. Afinal, as pessoas continuam sendo pessoas.

Acelerando o processo

Krisztina “Z” Holly, fundadora e principal instigadora da Make It In LA (Los Angeles), sublinhou o benefício de combinar software cada vez mais inteligente com impressão 3D e outras novas tecnologias (como realidade virtual) para acelerar muito o ciclo de desenvolvimento de produtos iterativos. Além da capacidade de obter mais feedback do consumidor no início do processo, o que pode levar a produtos muito melhores, ela destacou que as novas ferramentas democratizam o processo de design e construção.

“O que isso significa em termos de como inovamos e quem inova? Acho que o mundo será um lugar diferente se permitirmos que não engenheiros projetem os tipos de produtos que desejam”, disse ela. “Também será mais fácil para os empresários iniciar um negócio de manufatura. Que tipos de produtos estarão disponíveis se as pessoas puderem iniciar um negócio de produtos físicos tão facilmente quanto um negócio de produtos digitais?”

Um resultado que ela prevê:“Dois conjuntos de habilidades se tornam incrivelmente valiosos. Uma é habilidades tecnológicas aprofundadas para codificar esses sistemas e entender o âmago da questão do que funciona e do que não funciona.” A outra é a compreensão empática das necessidades do cliente e das oportunidades de mercado.

Quais habilidades se tornam menos críticas? Na verdade, executando as máquinas. O processo do projeto ao CAM será mais ou menos automatizado. Como Walker explicou, se o modelo de projeto incluísse informações sobre o material (como está se tornando padrão), a máquina deveria “ter a inteligência para fazer o resto. Retire as ferramentas certas de um rack de 8.000 ferramentas e siga os caminhos de ferramentas corretos nas velocidades apropriadas. A máquina deve ter recursos de monitoramento visual e audível para evitar colisões e também avaliar as condições de corte e ajustar as velocidades e avanços de acordo. Isso é o que os engenheiros de aplicações fazem hoje. De quantos precisaremos em 30 anos? Espero que nenhum.”

Dito isso, Holly advertiu contra o foco apenas em empregos. Primeiro, haverá empregos – apenas empregos diferentes e mais criativos. E segundo, “O importante é manter a inovação local”, disse ela. “Há muitos pontos negativos em enviar design e fabricação para o exterior. Você perde o controle da propriedade intelectual. Não é bom para o meio ambiente. E você perde de vista o que é possível, a menos que tenha as mãos na própria fabricação.”

Construído sob encomenda… localmente

Todos parecem concordar que a fabricação se tornará muito mais dispersa geograficamente, um processo muito auxiliado pelas capacidades multiplicadoras de máquinas-ferramentas individuais. Yancey disse que muitos fabricantes querem diminuir o risco e tornar os produtos mais próximos do cliente para melhor adaptá-los ao mercado.

Walker concordou e também previu que os custos de transporte e os impactos ambientais levarão as empresas a produzir localmente. Ele acrescentou que também existem compensações obrigatórias pelo governo, nas quais um fabricante deve produzir um certo número de peças em um país para vender produtos naquele país. Outro motivador é manter a lucratividade apesar das flutuações das moedas, um problema agravado pelo aperto das margens.

Ao mesmo tempo, haverá um grau muito maior de personalização e uma cadeia de suprimentos muito mais estreita. Como resumiu Tamburini:“A prática de prever a demanda e produzir peças em massa para atender à demanda esperada será invertida. Estará mais próximo do cliente dizer ao fabricante exatamente o que ele quer e o fabricante fazer isso e só então. A digitalização e a automação estão tornando esse sonho mais viável técnica e até economicamente.”

Isso não se aplicaria a todos os produtos, e as linhas entre padronização, customização e personalização são borradas. Mas Tamburini tem certeza de que a prática de customizar produtos por meio de uma lista de opções pré-definidas crescerá exponencialmente. Alguns produtos, como próteses e roupas, podem ser totalmente personalizados. Da mesma forma, a maioria dos fabricantes serão escritórios de serviços generalizados e não especialistas. As máquinas construirão o que vier pela nuvem, sob demanda.

Como disse Walker:“Hoje uma empresa precisa de um contrato de três a cinco anos para fabricar um componente porque o custo para comprar, programar e equipar uma máquina para fazer a peça de forma consistente e precisa é enorme”. Torne as máquinas automatizadas e multifuncionais e elimine grande parte do esforço de configuração e a fabricação se torna um negócio mais ágil e talvez com margens menores. Como diria Holly, da Make It in LA, o processo de design e as ferramentas e interfaces de design se tornam ainda mais importantes.

Manter as coisas funcionando

O aumento da digitalização, “hiperconectividade” e IA devem melhorar muito nossa capacidade de manter a produção funcionando com o mínimo de mão de obra e tempo de inatividade. Tamburini disse que a maioria dos dados agora coletados é usada para monitorar o que está acontecendo na fábrica e em toda a cadeia de suprimentos. “Mas estamos começando a perguntar ‘por que’ certas coisas acontecem e usando a IA para prever o que vai acontecer. A próxima fase desse processo é usar IA e aprendizado de máquina para permitir respostas autônomas.”

Em outras palavras, com dados suficientes para analisar, o aprendizado de máquina pode prever com precisão falhas de peças específicas. Com bons algoritmos de decisão e conhecimento sobre todas as demandas de produção no chão de fábrica, o sistema também pode decidir por si mesmo o que fazer com a falha pendente:solicitar a peça, programar o tempo de inatividade, mover determinados trabalhos para máquinas alternativas e assim por diante. Você pode até imaginar uma máquina se consertando ou encomendando o robô que pode, embora Walker tenha dito que acha que nunca vamos nos livrar da necessidade de técnicos de manutenção humanos. No entanto, ele acredita que as máquinas se comunicarão de forma audível sobre o que precisa ser feito – sem necessidade de dispositivos portáteis ou telas e controles.

Tamburini disse que a Microsoft tem um produto montado na cabeça (HoloLens) que permite interagir com hologramas ao seu redor. “Ele sobrepõe informações digitais à realidade, dando a você super poderes, de certa forma. As pessoas estão descobrindo que a realidade aumentada pode ser usada para fazer coisas como fornecer instruções de montagem, instruções de CQ ou instruções de manutenção, reduzindo assim a necessidade de treinamento.” For example, a remote maintenance expert can assist a local technician by pointing to a part or indicating how to move a part, as if they are both looking at the same thing in the same shop together.

Finally, Tamburini pointed out that one of the beauties of machine learning is that “the moment they get better, that capability or knowledge can be instantaneously broadcast to the entire world, because it’s just software. So everybody gets smarter and better, assuming we can share data.” He contrasted this with relying on an expert in the plant who uses his own years of experience to interpret the sounds of the machines and the like. “It’s very challenging to distribute that kind of knowledge.”

What Won’t Change

To the extent it came up at all, the experts don’t seem to think that manufacturing precision will advance much in the next 30 years. “We’re working at tolerances now where the metrology to determine the accuracy is the bigger problem,” as Walker put it. “The next step to getting better tolerances would be molecular manipulation,” (which no one envisioned). No one seemed to think that machining speed would be significantly faster either. Even the improvement to 3D printing speeds discussed earlier will be more evolutionary than revolutionary—not as significant as the increase in productivity due to software improvements. Likewise, our current ability to produce tiny components is already amazing. Wohlers referred to miniaturization as “partly a solution looking for a problem. One of the few applications are tiny sensors embedded within 3D printed parts.”

If you’re worried about the changes, Walker might comfort you with this thought:“We’ve been tweaking manufacturing since the 1780s. The next 30 years will be more tweaking, unless we come up with something truly revolutionary.” He asked me if anyone said they’d figured out how to manipulate gravity so we could fly to the moon without burning fossil fuels, knowing the answer. Come to think of it, no one mentioned the dog who kept the man from making changes to the machine, either.