Revolucionando a Manufatura: Sistemas Avançados de Paletes e Robótica

A gama e os requisitos de células de usinagem flexíveis estão aumentando

À medida que processos de manufatura automatizados continuam a evoluir de "bom ter" para "precisa ter" na esteira de questões como escassez de trabalhadores qualificados, configurações de sistemas de manufatura flexíveis continuam a surgir de formas novas e empolgantes.

Claramente, a pandemia de COVID-19 estimulou fabricantes a acelerar a adição de robôs a sistemas de paletes. Mas essa não é a única virada intrigante que o FMS deu recentemente.

"Sistemas de manufatura flexíveis podem significar coisas muito diferentes hoje do que significavam antigamente", explicou Zach Spencer, gerente de automação da Methods Machine Tools, sediada em Sudbury, Massachusetts. "No passado, todos estavam acostumados a sistemas de troca de paletes para alcançar máxima flexibilidade com suas máquinas. Esses pools de paletes permitiam que os clientes montassem diversos dispositivos de fixação em diversos paletes e rodassem suas máquinas sem supervisão.

"Hoje, a automação flexível pode assum muitas formas. Isso pode variar de máquinas paletizadas, robôs movendo paletes — como nossos sistemas de automação Plus-K e Plus-K60 — a sistemas mais complexos, mas ainda fáceis de usar, como sistemas de visão flexíveis para configurar peças."

Para aqueles novos no jogo da automação, Spencer disse para começar de forma simples.

"Normalmente recomendamos começar com um sistema menor e menos complicado para molhar os pés na automação — ficar confortável com ela antes de dar um grande salto. Para nós, esse tipo de sistema menor ou mais inteligente pode significar atender uma máquina versus muitas, e fazer um lote único em vez de fazer muitos tipos diferentes de peças de uma vez."

Soluções, Grandes e Pequenas

Sendo o negócio de automação de paletes o "coração" da Fastems, a empresa finlandesa está na vanguarda das tendências emergentes de automação. A pandemia acelerou a adição de robôs para carregar e descarregar peças em configurações de FMS, disse Mika Laitinen, diretor de vendas de soluções da Fastems.

Outras operações acessórias estão sendo cada vez mais adicionadas dentro dos mesmos sistemas, acrescentou Christopher Rezny, gerente regional do Centro dos EUA para a Fastems. Por exemplo, seja uma peça torneada ou usinada, ela precisa ser lavada. Além disso, as peças devem ser verificadas — individualmente ou após uma série de talvez 100. Operações de rebarbação e carregamento automático de dispositivos também podem ser realizadas, e a conectividade a sistemas de veículos guiados automaticamente (AGV) mantém os materiais fluindo para a operação.

Originalmente projetado para centros de usinagem horizontais, o sistema FPC (container de palete flexível) da Fastems pode ser expandido para atender até quatro máquinas-ferramenta.

"Pela primeira vez, pelo menos na Finlândia, este bloco de motor será carregado e descarregado automaticamente neste tipo de máquina-ferramenta usando AGVs", pois o sistema foi construído sem um guindaste empilhador. O AGV move a palete de usinagem de local para local para lavagem, inspeção, rebarbação e acabamento. "Também temos tarefas de submontagem para realizar certas operações de usinagem final. E temos armazenamento. Então, temos todos os mesmos elementos que teríamos em um FMS tradicional baseado em guindaste empilhador, mas agora tudo está em um único nível" devido ao peso do componente.

Usar AGVs em vez de um guindaste é ideal em uma situação como esta, continuou Laitinen, dado que o tempo de usinagem é bastante longo — várias horas — então não há problema em usar o veículo de carregamento e descarregamento mais lento para a troca de palete.

Tempo de Execução e Robôs

Sejam os sistemas de paletes lineares ou rotativos, com configuração de máquina única ou múltipla, os sabores de FMS variam amplamente.

Na DMG Mori, seu LPP (pool linear de paletes) e seu RPS (sistema rotativo de paletes) mais básico encontram lares em múltiplas configurações.

Para um LPP, "o ponto ideal típico para uma job shop é de 24 a 36 paletes e duas ou três máquinas e duas estações de carregamento", disse John McDonald, gerente geral de desenvolvimento na instalação de manufatura da DMG MORI em Davis, Califórnia. "Você tem fluxo de material dentro e fora das estações de carregamento, trabalho enfileirado no sistema de pool de paletes, e as máquinas estão trabalhando dia e noite."

Enquanto isso, o RPS é "um sistema de palete única, máquina única", continuou McDonald. "Geralmente há cinco paletes nele, e vamos até 21 paletes. São ótimos para, novamente, enfileirar trabalho. Você não tem tanta mistura de peças, ou combina com algum tipo de fixação de troca rápida de forma que possa alterar sua configuração de trabalho."

Em última análise, o FMS certo para uma determinada oficina é aquele que otimiza o tempo de execução sem supervisão. Trata-se de obter mais horas de fuso no dia e mais tempo de "ir embora" para permitir que os funcionários realizem outras tarefas, disse ele.

O outro trabalho do FMS, claro, é conseguir mais trabalho. "Tenho clientes batendo à minha porta, dizendo: 'Aqui está um trabalho para licitar, lá está um trabalho para licitar.' O que vejo pesando na mente da maioria das pessoas é: 'Será que posso realmente implementar essa coisa?' Nossos passeios privados de tecnologia e eventos baseados em educação mostram a esses clientes como essas ferramentas realmente trabalham juntas para alcançar esse tempo de execução sem supervisão."

O software LPS 4 da DMG Mori, lançado em 2021, é a quarta geração do software de gerenciamento de sistema de automação da empresa. Com ele, fabricantes podem eliminar algumas das etapas de gerenciamento de material conectando-se diretamente a um ERP. Por exemplo, se um cliente pede 500 blocos de alumínio 6061 para produzir bombas de água, McDonald explicou: "uma vez que você criou esse trabalho de bomba de água, seu sistema ERP pode direcionar a demanda ao sistema de pool de paletes do que ele vai produzir a seguir. Removemos aquele elo manual de alguém inserindo dados do ERP no software LPS 4; fechamos esse ciclo conectando os dois. Nem todos os clientes estão prontos para começar a usar esse nível hoje — mas algumas das oficinas mais produtivas fazem."

Ilustrando o que seu FMS pode fazer, a DMG Mori roda um LPP de um metro com três máquinas em sua própria oficina, observou McDonald. "Ele tem uma estação de lavagem de peças, carregamento robótico, fixadores hidráulicos e paletes de material. Estamos usinando as fundições com as quais construímos nossas máquinas aqui em nossa fábrica de Davis. Um operador carrega a fundição na palete de material. Quase todas essas fundições devem ser içadas por guindaste; são pesadas demais para qualquer um levantar. Elas são içadas para uma palete que parece uma palete de empilhadeira. A peça é colocada lá, então entra nos racks de paletes. A palete de material entra no carregamento robótico, bem como na palete de fixação. Então, o robô pega a peça e a carrega no fixador, então a peça é fixada com fixação hidráulica. E então a peça entra no centro de usinagem.

"Uma vez que essa operação termina, vai para a lavagem de peças; a peça é limpa para remover quaisquer cavacos ou resíduos de furos roscados. Temos clientes que levaram isso ainda mais longe, onde integramos máquinas de medição e células de marcação a laser. Além disso, alguns clientes usam o LPP em combinação com nosso sistema centralizado de gerenciamento de ferramentas — então, não apenas as peças, mas também as ferramentas no magazine da máquina são trocadas automaticamente. Tipicamente, veremos OEMs implementando esses tipos de células."

A Methods também está servindo a evolução de sistemas simples de troca de paletes para soluções atendidas por robôs com controles de gerenciamento de paletes, disse Spencer.

"Um sistema muito bem-sucedido que desenvolvemos e implantamos é nosso sistema RoboDrill Plus-K", explicou Spencer. "Este sistema utiliza um FANUC RoboDrill com um Robô FANUC para atendê-lo. No lado do robô, há a capacidade de armazenar até 60 peças no sistema por vez. Este sistema tem uma função de gerenciamento de paletes incorporada no controle da máquina que permite ao operador definir números de programa específicos para as várias 60 estações onde as peças podem ser armazenadas. Este sistema flexível também permite ferramentas estendidas na máquina, o que pode ser enormemente útil ao trabalhar em vários tipos de peças nas 60 estações de trabalho diferentes."

E a produção de alta mistura e baixo volume não está fora de questão, acrescentou Spencer. Nesses casos, "normalmente recomendamos uma solução mais rígida. Com qualquer venda de automação ou máquina-ferramenta, tentamos mostrar ao cliente os cálculos de ROI para sua oficina para ajudar a aprovar a venda do equipamento. Fazemos o que podemos para superar um ROI de 18 a 20 meses para o cliente." O sistema Plus-K da empresa é feito sob medida para trabalho de alta mistura/baixo volume, ele adicionou.

"Tivemos grande sucesso com a indústria médica com sistemas flexíveis. Acho que uma razão principal para isso é a necessidade na indústria médica para um tipo de aplicação de alta mistura. Por isso quero dizer que eles normalmente podem rodar pequenos lotes — até talvez 10 peças por vez — antes de precisar fazer um tipo diferente de peça. Isso se adapta perfeitamente a uma solução mais flexível que é extremamente fácil de mudar de um número de peça para o próximo."

Para requisitos de rastreamento, ele continuou, "oferecemos controladores de célula que podem auxiliar clientes na rastreabilidade de peças através dos sistemas. Controladores de célula podem monitorar o tempo de atividade do equipamento, status de alarmes e histórico, bem como usos da máquina. Esses sistemas normalmente têm capacidade de leitura de código QR, código de barras ou RFID que permite ao operador escanear peças dentro e fora das células durante a produção. Essas informações são normalmente armazenadas em um banco de dados local à célula, onde podem ser copiadas para o servidor do cliente."

O Ângulo do Laser

Quando corte a laser e soldagem entram na equação, um FMS assume uma definição ligeiramente diferente, disse Dominic Rickard, gerente de vendas da América do Norte para Prima Power Laserdyne, sediada em Brooklyn Park, Minnesota.

"Um sistema de manufatura flexível para processamento a laser 3D significa fornecer um sistema que pode suportar uma ampla variedade de processos a laser, ou seja, soldagem a laser, furação a laser e corte a laser 3D", explicou Rickard. "O sistema precisa suportar as necessidades de manufatura e ser adaptável para necessidades futuras do negócio."

Essa adaptabilidade incluiria suporte para:

--Baixo volume hoje e volume maior no futuro.

--Uma gama de materiais, de aço carbono, aço inoxidável e alumínio a materiais especiais. Trocar de um gás de assistência para outro via controle eletrônico e programático é importante.

--Mudanças rápidas de um processo de manufatura para outro — de soldagem para corte para furação e vice-versa. Por exemplo, ele disse: "Sistemas LASERDYNE podem mudar de corte a laser 3D para soldagem 3D em um a dois minutos."

Além disso, ele aconselhou, FMS baseados em laser devem fornecer informações de parâmetros e processo em tempo real para sistemas de monitoramento de manufatura/operação — e essas informações também devem ser registradas e armazenadas para referência e análise futuras.

"Do nosso ponto de vista, o tamanho do sistema ou máquina é independente de flexibilidade", disse Rickard. "O tamanho do sistema é determinado pelas peças que o cliente vai processar a laser. Sistemas LASERDYNE são projetados para suportar flexibilidade de manufatura independentemente de um sistema pequeno ou grande ser comprado."

A mais recente adição da Prima Power Laserdyne é seu sistema LASERDYNE 811, que suporta a filosofia de manufatura flexível de várias maneiras, explicou Rickard.

"Primeiro, o mesmo sistema suporta um fabricante que tem alta mistura de peças e baixo volume ou um fabricante que pede o sistema para construir uma única peça por vários anos. Segundo, o cliente pode integrar automação no momento em que o sistema é instalado ou a qualquer momento no futuro. O sistema é modular e ajustável. Terceiro, o sistema pode ser um equipamento autônomo ou uma parte integral da célula de manufatura."

O sistema tem sido um benefício para um cliente, um subcontratado dos mercados automotivo, processamento de alimentos e bens domésticos, disse ele. Esse cliente queria expandir sua capacidade de processamento e encurtar o tempo peça a peça para uma variedade de peças metálicas 3D e várias peças cilíndricas. Além disso, o cliente queria reduzir o tempo de troca de dispositivos de fixação de peças.

"Fornecemos ao cliente o LASERDYNE 811 com uma mesa indexadora de duas posições [mesa giratória] para cortar peças 3D a laser. Além disso, fornecemos uma interface de fixação comum para que o operador possa trocar facilmente os dispositivos de fixação de peças na mesa giratória. Para suportar a peça cilíndrica, fornecemos uma mesa rotativa usando a mesma interface de fixação de peça para que o cliente pudesse adicionar e remover facilmente a mesa rotativa. Adicionar a mesa rotativa é o mesmo que adicionar e remover o dispositivo de fixação de peça.

"O resultado é que o cliente pode processar a laser em alta mistura de SKU e reduzir os tempos de ciclo peça a peça, o que reduziu custos gerais, aumentou a vazão da fábrica, reduziu prazos de entrega de peças para usuários finais e permitiu que o cliente permanecesse competitivo sem nenhuma redução na qualidade."

Rickard explicou como a evolução do FMS foi crítica para o sucesso de sua empresa.

"Por necessidade, a Prima Power Laserdyne foi uma pioneira no processamento a laser 3D. Para ter sucesso, precisávamos oferecer sistemas de manufatura flexíveis. Nos primeiros dias do negócio, era muito difícil vender uma máquina de uso único. Os clientes insistiam que os sistemas precisavam ser flexíveis. FMS é uma parte central do nosso DNA, por assim dizer.

"Ao longo dos anos, as fontes de laser dos sistemas começaram com lasers CO2, migrando para sistemas Nd:YAG para agora sistemas de laser de fibra. Com cada mudança na fonte de laser, um número maior de materiais podia ser processado a laser. Com o tempo, projetamos e aprimoramos nossos sistemas para suportar soldagem, furação e corte trocando o bico no final da cadeia óptica do laser."

Outra mudança foi a introdução de SPC e MTConnect em seus sistemas. "Com SPC, o fabricante pode registrar todos os parâmetros de processo e máquina para análise ou manutenção de registros. Com MTConnect, o fabricante pode transmitir os parâmetros em tempo real, fornecendo monitoramento de processo em tempo real. Por fim, o sistema tem controle em tempo real sobre todos os aspectos da máquina, incluindo controle pulso a pulso do laser. O controle em tempo real permite que o controlador suporte sete ou mais eixos e simplifica a integração de automação com sistemas LASERDYNE."

Em última análise, ele concluiu, "o setor de manufatura em geral e fabricantes por contrato são a vanguarda ao definir e precisar de FMS. Este grupo de clientes precisa da capacidade de adaptar seus processos de manufatura.

Tipicamente, este grupo suporta uma variedade de produtos e clientes. O sustento e o sucesso dependem de quão rápida e eficientemente eles podem se adaptar ao trabalho disponível com o mercado. Todo setor de mercado tem um ciclo de alta e baixa. Se um setor de mercado está em baixa, a velocidade com que o fabricante pode se adaptar ao setor de mercado em crescimento pode significar a diferença entre crescer o negócio e fechar as portas."