Gerenciamento de ferramentas digitais:vários conceitos começam a convergir

O foco na digitalização no projeto e na usinagem destacou a importância e as vantagens de sistemas de gerenciamento de ferramentas digitais (DTM) mais sofisticados. Embora isso tenha gerado um grande grau de diferenciação e alguma confusão em relação a uma definição de sistema geralmente aceita, resultou na evolução de objetivos e recursos que são mais abrangentes e mais centrados no cliente.

Enquanto muitos desenvolvimentos anteriores na fabricação envolvendo hardware e software foram marcados por rivalidades corporativas entre construtores e desenvolvedores que dificultaram o processo, os avanços nos sistemas de gerenciamento de ferramentas foram muito mais cooperativos e, portanto, mais rápidos e eficazes.

Entre os fatores que impactam o desenvolvimento do DTM estão:a necessidade de gerenciamento de ferramentas em sistemas automatizados e cada vez mais na produção de peças complexas de pequeno a médio lote em nível de job shop; o estabelecimento de normas como a ISO 13399; programas cooperativos como MTConnect e vários subprogramas sob a égide da Indústria 4.0; e a demanda do cliente por sistemas que ofereçam maior eficiência, mais flexibilidade e, quando necessário, relacionamentos com vários fornecedores.

Atualmente, as ofertas de sistema variam de módulos individuais que executam funções limitadas a pacotes gerais que se estendem da estação CAM ao chão de fábrica. Corsin Buerer, líder de start-up, gerenciamento de dados de fabricação na Siemens PLM Software (Plano, TX), declarou:“Vemos o DTM como um componente-chave do sistema de informações total, incluindo software para organizar os vários aspectos dos requisitos de para responder às necessidades de automação e capacidade de integrar ferramentas na função CAM. É claro que, devido à variedade de clientes que atendemos, temos que oferecer uma ampla seleção de configurações que se adaptam às necessidades individuais dos fabricantes.”

Alexander Zoller, presidente da Zoller Inc. (Ann Arbor, MI), visualiza o sistema DTM como um “gêmeo digital” para todos os processos de fabricação relevantes. “Nosso sistema inclui uma biblioteca digital de ferramentas gêmeas, bem como informações funcionais completas de usinagem/ferramenta, que incluem a máquina, o porta-ferramentas, a especificação da ferramenta, geometria e quaisquer outros dados necessários ao longo do processo. As informações devem estar disponíveis para todos, desde o programador CAM até o gerenciamento de produção.”

Ao avaliar os recursos que serão cruciais para os novos sistemas DTM, Jeff Rizzie, diretor de vendas de usinagem digital para as Américas da Sandvik Coromant (Fair Lawn, NJ), adota uma perspectiva ampla. “Embora muitos fabricantes normalmente comecem com um sistema mínimo/máximo básico para reabastecer ferramentas, vemos o desenvolvimento de sistemas de função completa como essencial para o futuro. Ao construir esses sistemas, nosso principal objetivo é oferecer melhores maneiras de fornecer dados com base em como essas informações serão consumidas pelo cliente.”

A sensibilidade do cliente é fundamental para o processo. “Nossas ofertas incluem a integração completa de todas as informações e processos relacionados ao processo de fabricação”, disse Gregg Bigleman, diretor para a América do Norte da TDM Systems (Schaumburg, IL). “Isso permitirá que as empresas façam uma transição mais fácil para a produção inteligente vinculada ao digital. O elemento crítico é que tudo vem de um banco de dados de fonte única.”

A disponibilidade de dados de ferramentas também é vista como essencial por Tyler Martin, técnico STEP da Seco Tools LLC (Troy, MI). “A fácil disponibilidade de dados é fundamental. Disponibilizamos as informações da nossa ferramenta por meio de módulos que podem ser baixados da nuvem. Nossa conformidade com a ISO 13399 garante aos clientes que as informações corretas estarão lá quando eles precisarem e [ser] fáceis de entender.”

Walter AG (Tübingen, Alemanha) foi um dos primeiros defensores dos sistemas de gerenciamento de ferramentas e hoje oferece capacidade de serviço completo para clientes maiores. Florian Böpple, gerente de manufatura digital, comentou:“Nossos primeiros esforços no gerenciamento de ferramentas incluíam máquinas de venda automática. Hoje, nossos sistemas de logística nos permitem fazer parceria com uma empresa, integrando um pacote total que permite descarregar a função de gerenciamento de ferramentas. No estado de maior expansão, colocamos pessoas em tempo integral nos clientes e compramos todas as ferramentas, mesmo algumas dos concorrentes. Cuidamos da predefinição, operação técnica e otimização das máquinas. Isso permite que o fabricante se concentre em seu negócio principal e deixe o gerenciamento de ferramentas nas mãos de profissionais.”

Como veículo de resposta, o DTM evoluirá de uma maneira que combina os avanços na fabricação e a visão das empresas de ferramentas envolvidas. Como Alexander Zoller colocou sucintamente:“Funcionalmente, haverá um novo sistema a cada ano”.

Bigleman, da TDM System, enfatizou a necessidade de “conectar várias instalações em qualquer lugar do mundo”, o que fornecerá eficiências contínuas. Na Siemens, Buerer, gerente sênior de marketing de produtos, enfatizou a progressão lógica do DTM desde o início:“Passamos do desenvolvimento de uma biblioteca de ferramentas digitais para sistemas dedicados ao gerenciamento de ferramentas físicas. Isso inclui a localização de qualquer ferramenta dentro do processo de fabricação, bem como ferramentas em estoque, porque isso representa desafios contínuos em um ambiente de produção contínuo.”

Rizzie da Sandvik Coromant também citou o caminho do desenvolvimento do sistema. “Historicamente, os sistemas de gerenciamento de ferramentas eram baseados em cálculos estáticos de inventários de ferramentas e atualizações correspondentes. No ambiente moderno, isso é obsoleto e temos que mudar para tendências dinâmicas de dados em tempo real, incluindo status na máquina. Na verdade, estamos passando de sistemas discretos para interativos.”

Walter está trabalhando em direção a um conceito multicanal através do uso de “cockpits” de gerenciamento de ferramentas. Böpple explicou:“Um cockpit desenvolverá um relatório para gerenciamento sobre economias ao longo do tempo para definir economias definitivas no processo geral, estabelecendo uma linha de base de desempenho. Claramente, não cabe ao cliente conhecer os dados da ferramenta logística. Ao incorporar nossa expertise, podemos fornecer informações mais significativas e eficazes, principalmente quando se trata do processo de usinagem. Um cockpit adicional nos fornecerá na Walter os dados de desempenho que nos permitirão melhorar o desempenho da ferramenta.”

Entradas e Demandas do Cliente

Fatores significativos na melhoria dos sistemas de gerenciamento de ferramentas digitais são as entradas e demandas dos clientes. A síntese resultante das necessidades dos clientes e da experiência dos fabricantes de ferramentas está surgindo como talvez o contribuinte mais significativo para expandir os recursos mais padrão dos sistemas DTM.

Martin, da Seco Tools, citou a solicitação de bibliotecas de dados de ferramentas aprimoradas aplicáveis ​​a sistemas CAM. “A capacidade CAM será absolutamente necessária para que os sistemas de gerenciamento de ferramentas atinjam todo o seu potencial.”
Disse Zoller, “Os clientes começam olhando para o quadro geral, depois nos pedem para trabalhar com eles no desenvolvimento de soluções específicas. Por exemplo, geralmente há um desperdício percebido no tempo gasto na busca de ferramentas específicas. Ao introduzir controles adequados, podemos resolver esse problema. Também estamos vendo outros pedidos de aplicativos 3D, bem como recursos móveis que podem se comunicar via celular e tablet.”

O novo cliente que pensa em instalar DTM traz diversas demandas, que podem ser atendidas de diversas formas. Disse Bigleman da TDM Systems, “Os clientes hoje estão sempre procurando expandir e incluir mais de seu processo de fabricação em sistemas DTM. Assim, o novo cliente em potencial pode entrar no ambiente de fabricação digital em qualquer lugar do processo por meio do uso de aprimoramentos simples “aparafusados”. Uma vez que as etapas iniciais tenham sido tomadas, é possível expandir upstream ou downstream sem perder nenhum dado ou eficiência.”

Rizzie concordou. “Na Sandvik Coromant, buscamos uma plataforma inicial que permita a conexão de aplicativos adicionais. Nesse contexto, no entanto, é necessário que o fornecedor comprove a maneira como cada nova aplicação agrega ao fluxo de valor.”

Embora a fase inicial de desenvolvimento do DTM tenha sido em grande parte a província de grandes OEMs e grandes fabricantes de ferramentas correspondentes, a indústria também é povoada por uma infinidade de pequenas empresas de ferramentas, muitas das quais mantêm relações de vendas e consultoria com usuários finais, especialmente oficinas de trabalho. e fabricantes menores. O movimento em direção à digitalização necessariamente levanta a questão do que acontecerá com esses recursos.

O Böpple de Walter vê um “sacudir” devido tanto à padronização quanto ao DTM. “Tem havido uma luta contínua entre fornecedores de baixo nível e fornecedores premium. Aqueles na extremidade inferior não estão realmente motivados a migrar para sistemas em qualquer capacidade. Sua maior ameaça vem do fato de que as ferramentas, especialmente no nível de commodities, estão se tornando cada vez mais parecidas.”

Zoller prevê um lugar para empresas menores, desde que cumpram os principais requisitos. “As empresas menores precisam se tornar mais eficientes. Vemos uma oportunidade para eles cobrirem a base de clientes menor em parceria com empresas como a nossa. Na verdade, eles preenchem nosso catálogo e banco de dados.”

Um número de empresas de serviços que preenchem a lacuna entre grandes fornecedores de DTM e pequenos fabricantes de ferramentas também deve aumentar. De acordo com Buerer, “As empresas que levam a sério a manutenção de sua posição e até o crescimento poderão acessar fornecedores que podem aumentar seus dados. Além disso, pequenos fabricantes que se especializam em certas disciplinas de ferramentas, como fresamento de roscas, também encontrarão um nicho e terão a vantagem adicional de fazer parceria com empresas maiores que fornecem DTM.”

Um fator significativo na sobrevivência e crescimento de fabricantes menores é citado por Martin. “Essas empresas podem não apenas enxertar os sistemas existentes em uma forma de parceria, mas, graças à nuvem, sua capacidade de serviço se tornará mais estendida e eficiente.”

Suporte adicional para os fornecedores de ferramentas menores virá na forma de estratégias de plataforma aberta incorporadas por vários players importantes. "Somos 'agnósticos de marca'", afirmou Rizzie. “Qualquer ferramenta pode se conectar dentro do nosso sistema. Acho que todos os principais acabarão descobrindo que esse é o caso, graças a programas gerais como ISO 13399 e MTConnect.”

A liderança em DTM demonstrada pelos principais fabricantes de ferramentas e seus clientes, bem como suas diferentes filosofias operacionais e recursos, levanta a questão da escalabilidade. A extensão em que sistemas mais abrangentes podem ser editados para configurações mais compactas, ou modularizados, depende em grande parte de seus objetivos inerentes e do desenvolvimento original.

Böpple observou o alto grau de diferenciação. “Os sistemas DTM mais eficazes são, por definição, abrangentes e, como tal, estão menos disponíveis para empresas menores. Este continuará sendo o caso, pois as grandes empresas desejam sistemas que sejam capazes de implementação imediata e que exijam não apenas um projeto extenso, mas possivelmente modificações importantes. Empresas menores podem implementar módulos de forma fragmentada, mas com toda a honestidade, esse não é um sistema holístico.”

Martin prevê que “à medida que mais protocolos se tornarem padrão, mais aspectos do DTM ficarão disponíveis para operações menores”. O fato de o sistema da Seco Tools ter se originado como uma combinação de múltiplos componentes derivados de uma extensa e diversificada biblioteca de ferramentas torna os sistemas, nas palavras de Buerer, “muito escaláveis”.

Necessidade de um plano de longo prazo

Bigleman citou a importância de um plano de longo prazo no desenvolvimento de qualquer sistema. “Cada uma de nossas propostas é desenvolvida especificamente para o cliente individual com base em suas necessidades. Pode começar simples e ter um plano de implementação em fases ou incorporar uma abordagem geral desde o início.”

A Rizzie adota uma abordagem diferente e prevê um caminho flexível e multicamadas em que pacotes DTM de pequeno a médio porte incorporando componentes padronizados estarão disponíveis para atender às necessidades de operações menores.

Uma variedade crescente de sistemas, módulos e abordagens também levanta a questão da implementação, que pode ser um fator decisivo na decisão de compra de um cliente. Böpple cita a importância de um planejamento abrangente para o sucesso do DTM. “Aconselhamos nossos clientes a imaginar onde querem estar – e isso vai muito além do gerenciamento de ferramentas. A partir do plano geral, derivamos uma estratégia, depois escolhemos e incorporamos os melhores parceiros e implementamos a solução. Alertamos nossos clientes para não terem medo de fazer alterações ou serem sobrecarregados pelo excesso de dados. Os resultados são infinitamente preferíveis à confusão.”

Martin recomenda incorporar todo o sistema de uma vez:“Isso faz sentido não apenas do ponto de vista operacional, mas também financeiro. Ao optar por um custo único, o cliente evita complementos e extras imprevistos.”

“Uma abordagem cautelosa em relação ao forte envolvimento interno por parte do cliente é obrigatória”, afirmou Zoller. “O mais importante é montar uma equipe. Isso não apenas economiza tempo, mas permite que as pessoas mais familiarizadas com os processos tenham uma visão interna. Em seguida, priorize as áreas-chave e implemente em etapas.”

Buerer defende uma mudança de paradigma para as grandes empresas e uma estratégia de “começar e depois expandir” para as menores. “O sucesso de um grande sistema depende muito da preparação e do treinamento, e as pessoas acham muito mais lógico entender todo o conceito de uma só vez. Onde isso não for financeiramente ou operacionalmente possível, recomendamos começar com um determinado departamento ou conjunto de máquinas, aprendendo sobre o sistema e definindo o resultado final desejado e depois expandindo a partir daí.”

Influência da Indústria 4.0

Está claro que as iniciativas da Indústria 4.0 são a principal força por trás da adoção do DTM. A velocidade e extensão com que é implementado varia de acordo com a urgência do usuário em se adequar aos protocolos.

Quando se trata de expansão, Buerer vê a necessidade de sistemas que vão além do ferramental. “Se as empresas desejam aumentar a capacidade de automação, elas devem se inscrever na necessidade de DTM. Além disso, os sistemas digitais não podem parar nas ferramentas, mas também devem incluir o gerenciamento de dispositivos e medidores”.

Zoller vê o DTM como “exatamente adequado às iniciativas 4.0. A única maneira eficaz de utilizar todos os recursos é por meio de um sistema compartilhado. Isso promove a eficiência que afeta positivamente o balanço patrimonial - as despesas estão impulsionando a sala de ferramentas de hoje e estamos nos movendo em direção a uma sala de ferramentas robótica totalmente automatizada.”
De acordo com Martin, “O sistema de fabricação totalmente digitalizado deve necessariamente ser holística por natureza. DTM é uma parte crítica da mistura. Os assinantes levam a sério a Indústria 4.0.”

Observou Rizzie, “No coração da Indústria 4.0 está o conceito de conectividade. O gerenciamento de ferramentas deve ser interconectado para fornecer os dados dinâmicos que registram e, por fim, afetarão tudo, desde ciclos otimizados até a vida útil da ferramenta.”

Embora haja um consenso geral sobre a necessidade de DTM, as diferentes interpretações de como esses sistemas devem ser construídos e implementados e o que eles devem incluir naturalmente levam a uma visualização de onde esses protocolos estarão no futuro próximo a médio prazo. Um outro fator envolve as maneiras pelas quais o sistema abrangerá ou se ajustará a métodos, materiais e tecnologias novos e não tradicionais.

Bigleman prevê uma revolução nas comunicações:“No curto prazo, não pode haver mais 'silos'. A comunicação deve ser clara e a indústria precisa abraçar a ideia de comunicações transparentes em todos os processos, sistemas e departamentos. À medida que novas tecnologias surgem, os provedores desenvolverão o software e o hardware que conectam todas elas.”

Zoller prevê “um desenvolvimento contínuo de sistemas DTM que naturalmente adotarão novos materiais e tecnologias, especialmente no que diz respeito à capacidade dos clientes de fabricar suas próprias ferramentas”.

Böpple acredita que a liderança de curto prazo na Indústria 4.0 na indústria de corte de metal será fornecida por OEMs e empresas de ferramentas maiores e visa a otimização de ferramentas como objetivo principal. “O fabricante da ferramenta deve auxiliar no fluxo do processo, desde o CAM, planejamento, aquisição e aplicação. Isso tornará mais fácil encontrar a melhor ferramenta de forma mais eficiente – mesmo que isso implique uma pesquisa global de produtos, pois estamos fornecendo através do uso de GPS.”

Com relação às novas tecnologias, ele prevê mais impressão de peças, principalmente nas indústrias automotiva e aeroespacial, com destaque para menor peso e melhor estrutura metálica. No entanto, as ferramentas convencionais continuarão a ser necessárias.

“À medida que alguns clientes desenvolvem a capacidade de criar suas próprias peças semiacabadas, eles devem ao mesmo tempo determinar quais métodos e ferramentas serão usados ​​no processo de acabamento”, disse Böpple. “Para a maioria dos clientes, isso ainda se aplica ao processo de desbaste, especialmente porque a complexidade da usinagem continua aumentando devido a novos materiais e ligas. Tal tarefa requer ampla
experiência e conhecimento, e com muitos especialistas chegando à idade de aposentadoria, será crucial treinar novas pessoas.”

De acordo com Buerer, “No curto prazo, os sistemas DTM serão chamados para fornecer mais dados 3D, bem como recursos de simulação. Muitos dos dados 3D terão que vir de fabricantes de ferramentas que trabalharão com os clientes para otimizar avanços e velocidades, minimizar estoque e abrir a porta para um maior feedback de ferramentas e processos de usinagem.”

Uma ênfase maior na criação e/ou recuperação rápida de dados é fundamental, de acordo com Martin. Quanto às novas tecnologias, ele acredita que “como o custo de entrada é muito alto, incorporar a manufatura aditiva avançada não será economicamente viável para a maioria dos clientes. Dada a entrada necessária em termos de hardware, software e pessoas, o desenvolvimento de ferramentas altamente especializadas seria melhor feito em parceria com fabricantes de ferramentas.”

Rizzie observou que a conectividade em todos os níveis será o principal impulso do DTM no curto e médio prazo. “A conectividade acelerada irá, em vários casos, definir a necessidade de ferramentas especializadas, que em alguns casos requerem impressão. O fator crucial aqui envolve o desenvolvimento de materiais que podem entregar os melhores resultados.”

As muitas direções divergentes no DTM indicam que protocolos rígidos são inadequados. Em um ambiente de fabricação dinâmico caracterizado por designs revolucionários, materiais novos e, em alguns casos, personalizados, métodos e máquinas inéditos há pouco tempo, a definição tradicional de “ferramenta” se ampliou. Da mesma forma, o uso otimizado de todos os insumos e ativos na fabricação requer sistemas que possam acomodar funções interativas e discretas. Como Rizzie observou:“Com o digital, estamos passando do conhecimento tribal para o conhecimento do sistema”.

Embora um segmento crescente da comunidade manufatureira reconheça a necessidade e a inevitabilidade dos sistemas DTM, a compreensão de como esses protocolos serão definidos, implementados e usados ​​varia muito. Embora padrões como ISO 13399, Industry 4.0 e MTConnect tenham contribuído com algum grau de estrutura, muito debate continua sobre o que o sistema deve incluir (apenas ferramentas ou ferramentas, acessórios e equipamentos auxiliares), quem deve ser responsável pelo gerenciamento contínuo de o sistema (pessoal da instalação versus fabricantes/fornecedores de ferramentas), até que ponto o DTM deve se estender funcionalmente e quais departamentos devem ser incluídos (operações de fabricação, finanças, gerenciamento) e como o sistema deve evoluir da implementação para o futuro.

O que poderia ter sido imaginado como uma versão mais sofisticada da sala de ferramentas é ainda mais complicado pela rápida aceleração no desenvolvimento de tecnologias de fabricação e o desafio apresentado por alternativas totalmente novas, incluindo fabricação aditiva e nanotecnologia, que estão obscurecendo a definição do que é constitui uma ferramenta.

Das muitas vertentes dessa tecnologia disruptiva, parece que os sistemas DTM necessariamente serão altamente personalizados e evoluirão continuamente com base em fatores como a natureza das peças e materiais, a extensão da automação e os resultados desejados. Claramente, a modularização continuará a desempenhar um papel importante.