Gerenciamento Digital de Ferramentas: Soluções Unificadas e Centradas no Cliente para Manufatura Moderna

O foco na digitalização no design e usinagem destacou a importância e vantagens de sistemas mais sofisticados de gerenciamento digital de ferramentas (DTM). 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 capacidades que são tanto mais abrangentes quanto mais centrados no cliente.

Enquanto muitos desenvolvimentos anteriores em manufatura envolvendo tanto hardware quanto software foram marcados por rivalidades corporativas entre construtores e desenvolvedores que atrapalharam o processo, avanços em sistemas de gerenciamento de ferramentas têm sido muito mais cooperativos e, portanto, mais rápidos e eficazes.

Entre os impulsionadores impactando o desenvolvimento DTM estão: a necessidade de gerenciamento de ferramentas em sistemas automatizados e cada vez mais em produção de peças complexas de pequenos a médios lotes no nível de job shop; o estabelecimento de padrões como ISO 13399; programas cooperativos como MTConnect e vários subprogramas sob o guarda-chuva da Industry 4.0; e demanda do cliente por sistemas oferecendo maior eficiência, mais flexibilidade e, quando necessário, relacionamentos com múltiplos fornecedores.

Atualmente, ofertas de sistemas variam de módulos individuais executando funções limitadas a pacotes gerais estendendo da estação CAM ao chão de fábrica. Corsin Buerer, líder de inicialização, gerenciamento de dados de manufatura na Siemens PLM Software (Plano, TX), afirmou: "Vemos DTM como um componente chave do sistema de informação total, incluindo software para organizar os vários aspectos de requisitos de ferramentas, a capacidade de responder às necessidades de automação e uma capacidade de integrar ferramentas na função CAM. Claro, por causa da gama de clientes que servimos, temos que ser capazes de 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 manufatura relevantes. "Nosso sistema inclui uma biblioteca de ferramentas de gêmeo digital, bem como informação funcional completa de usinagem/ferramentas, que inclui a máquina, o porta-ferramenta, a especificação da ferramenta, geometria e quaisquer outros dados requeridos durante o processo. A informação tem que estar disponível para todos, do programador CAM ao gerenciamento de produção."

Ao avaliar os recursos que serão cruciais para novos sistemas DTM, Jeff Rizzie, diretor, vendas de usinagem digital, Américas, para Sandvik Coromant (Fair Lawn, NJ), toma uma perspectiva ampla. "Embora muitos fabricantes tipicamente comecem com um sistema básico min/max para repor ferramentas, vemos o desenvolvimento de sistemas de função completa como essencial para o futuro. Na construção desses sistemas, nosso objetivo principal é oferecer melhores maneiras de fornecer dados baseados em como aquela informação será consumida pelo cliente."

Sensibilidade do cliente é crítica para o processo. "Nossas ofertas incluem integração completa de toda informação e processos relacionados ao processo de manufatura", disse Gregg Bigleman, diretor, América do Norte, para TDM Systems (Schaumburg, IL). "Isso permitirá que negócios transicionem mais facilmente para produção inteligente digitalmente conectada. O elemento crítico é que tudo vem de um banco de dados de fonte única."

A disponibilidade de dados de ferramentas é igualmente vista como essencial por Tyler Martin, técnico STEP na Seco Tools LLC (Troy, MI). "A fácil disponibilidade de dados é crítica. Nós disponibilizamos nossa informação de ferramentas através de módulos que podem ser baixados da nuvem. Nossa conformidade com ISO 13399 assegura aos clientes que a informação correta estará lá quando eles precisarem e [ser] fácil de entender."

Walter AG (Tübingen, Alemanha) foi um defensor inicial de sistemas de gerenciamento de ferramentas e hoje oferece capacidade de serviço completo para clientes maiores. Florian Böpple, gerente de manufatura digital, comentou: "Nossos esforços iniciais em gerenciamento de ferramentas incluíam máquinas de venda. Hoje, nossos sistemas de logística nos permitem fazer parceria com uma empresa integrando um pacote total que lhes permite terceirizar a função de gerenciamento de ferramentas. No estado de expansão mais alta, colocamos pessoas em tempo integral nos clientes e compramos todas as ferramentas — até mesmo algumas de concorrentes. Cuidamos de pré-ajuste, operação técnica e otimização em máquinas. Isso permite ao fabricante concentrar-se em seu negócio principal e deixar o gerenciamento de ferramentas nas mãos de profissionais."

Como veículo de resposta, DTM evoluirá de uma maneira que combina avanços em manufatura e a visão de empresas de ferramentas envolvidas. Como Alexander Zoller sucintamente colocou, "Funcionalmente, haverá um novo sistema a cada ano."

Bigleman da TDM Systems enfatizou a necessidade de "conectar múltiplas instalações em qualquer lugar do mundo", o que proporcionará eficiências contínuas. Na Siemens, Buerer, gerente sênior de marketing de produto, enfatizou a progressão lógica do DTM desde seus inícios: "Nós subimos do desenvolvimento de uma biblioteca digital de ferramentas para sistemas dedicados a gerenciamento de ferramentas físicas. Isso incluiria tanto a localização de qualquer ferramenta dentro do processo de manufatura quanto ferramentas em estoque, porque isso representa desafios contínuos em um ambiente de produção contínuo."

Rizzie da Sandvik Coromant também citou o caminho de desenvolvimento do sistema. "Historicamente, 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 mover para tendências dinâmicas de dados em tempo real, incluindo status on-machine. Em efeito, estamos movendo de sistemas discretos para interativos."

Walter está trabalhando em direção a um conceito multi-canal através do uso de "cockpits" de gerenciamento de ferramentas. Böpple explicou: "Um cockpit desenvolverá um relatório para a gerência 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 logísticos de ferramentas. Incorporando nossa expertise, podemos fornecer informação mais significativa e eficaz, especialmente quando se trata do processo de usinagem. Um outro cockpit 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 de sistemas de gerenciamento digital de ferramentas são entradas e demandas do cliente. A síntese resultante de necessidades do cliente e experiência de fabricantes de ferramentas está emergindo como talvez o contribuinte mais significativo para expandir as capacidades mais padrão de sistemas DTM.

Martin da Seco Tools citou o pedido por bibliotecas de dados de ferramentas aprimoradas aplicáveis a sistemas CAM. "Capacidade CAM será absolutamente necessária para sistemas de gerenciamento de ferramentas alcançarem seu potencial total." Disse Zoller, "Clientes começam olhando o quadro geral, então nos pedem para trabalhar com eles no desenvolvimento de soluções específicas. Por exemplo, há geralmente um desperdício percebido no tempo gasto procurando ferramentas particulares. Introduzindo controles adequados, podemos resolver esse problema. Também estamos vendo outros pedidos para aplicações 3D, bem como capacidades móveis que podem se comunicar via celular e tablet."

O novo cliente considerando instalação DTM traz várias demandas, que podem ser respondidas de várias maneiras. Disse Bigleman da TDM Systems, "Clientes hoje estão sempre procurando expandir e incluir mais de seu processo de manufatura em sistemas DTM. Assim, o potencial novo cliente pode entrar no ambiente de manufatura digital em qualquer lugar no processo através do uso de melhorias simples 'bolt-on'. Uma vez que os passos iniciais tenham sido dados, é possível expandir upstream ou downstream sem perder quaisquer dados ou eficiência."

Rizzie concordou. "Na Sandvik Coromant, estamos olhando para uma plataforma inicial que permite a conexão de aplicações adicionais. Neste contexto, no entanto, é necessário que o fornecedor prove a maneira na qual cada nova aplicação adiciona ao fluxo de valor."

Enquanto a fase inicial de desenvolvimento de DTM tem sido amplamente a província de OEMs maiores e fabricantes de ferramentas correspondentemente grandes, a indústria é também populada por uma multidão de empresas de ferramentas menores, muitas das quais mantêm tanto vendas quanto relacionamentos de consultoria com usuários finais, especialmente job shops e fabricantes menores. A mudança em direção à digitalização necessariamente levanta a questão do que acontecerá com aqueles recursos.

Böpple da Walter vê um "shakeout" vindouro devido tanto à padronização quanto ao DTM. "Houve uma luta contínua entre fornecedores de baixo nível e fornecedores premium. Aqueles na extremidade inferior realmente não são motivados a mover para sistemas em qualquer capacidade. Sua maior ameaça vem do fato de que ferramentas, especialmente no nível de commodity, estão se tornando cada vez mais iguais."

Zoller visualiza um lugar para empresas menores, desde que cumpram requisitos-chave. "As empresas menores têm que se tornar mais eficientes. Vemos uma oportunidade para eles em cobrir a base de clientes menores em parceria com firmas como a nossa. De fato, eles preenchem nosso catálogo e banco de dados."

Um número de empresas de serviços preenchendo a lacuna entre maiores provedores DTM e pequenos fabricantes de ferramentas também provavelmente aumentará. De acordo com Buerer, "Empresas que são sérias sobre manter sua posição e até crescer serão capazes de acessar fornecedores que podem aumentar seus dados. Além disso, pequenos fabricantes que se especializam em certas disciplinas de ferramentas, como fresamento de rosca, também encontrarão um nicho e terão a vantagem adicional de fazer parceria com empresas maiores fornecendo DTM."

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

Suporte adicional para menores fornecedores de ferramentas virá na forma de estratégias de plataforma aberta incorporadas por vários grandes players. "Somos 'brand agnostic'", afirmou Rizzie. "Qualquer ferramenta pode se conectar dentro do nosso sistema. Acho que todos os maiores eventualmente acharão que este é o caso graças a programas gerais como ISO 13399 e MTConnect."

A liderança em DTM mostrada pelos grandes fabricantes de ferramentas e seus clientes, bem como suas filosofias operacionais e recursos diferentes, levanta a questão de escalabilidade. A extensão na qual sistemas mais abrangentes podem ser editados para configurações mais compactas, ou modularizados, depende largamente de seus objetivos inerentes e desenvolvimento original.

Böpple notou o alto grau de diferenciação. "Os sistemas DTM mais eficazes são por definição abrangentes e, como tal, estão menos disponíveis para empresas menores. Isso continuará sendo o caso já que grandes empresas querem sistemas capazes de implementação imediata e que requerem não apenas um blueprint extenso mas possivelmente modificações-chave. Empresas menores podem implementar módulos de forma incremental, mas honestamente isso não é um sistema holístico."

Martin prevê que "à medida que mais protocolos se tornam padrão, mais aspectos de DTM se tornarão disponíveis para operações menores." O fato de que o sistema da Seco Tools originou-se como uma combinação de múltiplos componentes derivados de uma biblioteca de ferramentas extensiva e diversificada 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 especificamente desenvolvida para o cliente individual baseado em suas necessidades. Pode começar simples e ter um plano de implementação faseada ou incorporar uma abordagem geral desde o início."

Rizzie toma uma abordagem diferente e visualiza um caminho flexível, multi-nível onde 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 de implementação, que pode ser um fator decisivo quando se trata da decisão de compra de um cliente. Böpple cita a importância de planejamento abrangente para sucesso do DTM. "Aconselhamos nossos clientes a visualizar onde eles querem estar — e isso vai muito além do gerenciamento de ferramentas. Do plano geral, derivamos uma estratégia, então escolhemos e incorporamos os melhores parceiros e implementamos a solução. Alertamos nossos clientes para não terem medo de fazer mudanças ou serem sobrecarregados por excesso de dados. Resultados são infinitamente preferíveis a confusão."

Martin recomenda incorporar o sistema inteiro de uma vez: "Isso faz sentido não apenas de um ponto de vista operacional mas financeiro. Optando por um custo único, o cliente evita add-ons e extras não antecipados."

"Uma abordagem cautelosa em relação a envolvimento interno pesado por parte do cliente é obrigatória", afirmou Zoller. "É mais importante colocar uma equipe no lugar. Isso não só economiza tempo mas permite que as pessoas mais familiarizadas com os processos tomem uma visão interna. Então, priorizem áreas-chave e implementem em etapas."

Buerer defende uma mudança de paradigma para grandes empresas e uma estratégia "comece e então expanda" para menores. "O sucesso de um grande sistema é fortemente dependente de preparação e treinamento, e as pessoas acham muito mais lógico compreender o conceito inteiro de uma vez. Onde isso não é financeiramente ou operacionalmente possível, recomendamos começar com um departamento particular ou conjunto de máquinas, aprender sobre o sistema e definir o resultado eventual desejado, e então expandir a partir daí."

Influência da Industry 4.0

Está claro que iniciativas Industry 4.0 são uma força primária por trás da adoção de DTM. A velocidade e extensão com que é implementada varia dependendo da urgência do usuário em conformar aos protocolos.

Quando se trata de expansão, Buerer vê a necessidade de sistemas que vão além apenas das ferramentas. "Se empresas desejam aumentar capacidade de automação, elas devem assinar a necessidade de DTM. Além disso, os sistemas digitais não podem parar nas ferramentas mas devem também incluir gerenciamento de fixadores e gabaritos."

Zoller vê DTM como "exatamente um ajuste em iniciativas 4.0. A única maneira eficaz de utilizar todos os recursos é através de um sistema compartilhado. Isso promove a eficiência que afeta positivamente o balanço — 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 manufatura totalmente digitalizado deve por necessidade ser holístico na natureza. DTM é uma parte crítica da mistura. Assinantes são sérios sobre Industry 4.0."

Notou Rizzie, "No coração da Industry 4.0 está o conceito de conectividade. Gerenciamento de ferramentas deve ser interconectado para fornecer os dados dinâmicos que registram e ultimamente impactarão tudo desde ciclos otimizados até vida da ferramenta."

Embora haja acordo geral na necessidade de DTM, as diferentes interpretações de como tais sistemas devem ser construídos e implementados e o que devem incluir naturalmente levam a uma visualização de onde tais protocolos estarão no futuro próximo a médio. Um fator adicional envolve as maneiras nas quais o sistema abrangerá ou se ajustará a novos e não-tradicionais métodos, materiais e tecnologias.

Bigleman prevê uma revolução em comunicações: "No curto prazo, não pode haver mais 'silos'. 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 emergem, provedores desenvolverão o software e hardware que as conecta todas."

Zoller prevê "um desenvolvimento contínuo de sistemas DTM que naturalmente abraçarão novos materiais e tecnologia, especialmente relacionados à capacidade de clientes fabricarem suas próprias ferramentas."

Böpple acredita que liderança de curto prazo em Industry 4.0 na indústria de corte de metal será fornecida por grandes OEMs e empresas de ferramentas e visará otimização de ferramentas como objetivo primário. "O fabricante de ferramentas deve assistir no fluxo de processo, de CAM, planejamento, aquisição e aplicação. Isso tornará mais fácil encontrar a melhor ferramenta mais eficientemente — mesmo que isso implique uma busca global de produto como estamos fornecendo através do uso de GPS."

Com relação a novas tecnologias, ele prevê mais impressão de peças de trabalho, especialmente nas indústrias automotiva e aeroespacial, com ênfase em peso mais leve e estrutura de metal melhorada. No entanto, ferramentas convencionais continuarão a ser requeridas.

"À medida que alguns clientes desenvolvem a capacidade de criar suas próprias semi-acabadas peças de trabalho, 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 aplicará também para o processo de desbaste, especialmente desde que a complexidade de usinagem continua aumentando devido a novos materiais e ligas. Tal tarefa requer experiência e conhecimento extensos, e com muitos especialistas alcançando idade de aposentadoria, será crucial treinar novas pessoas."

De acordo com Buerer, "Curto prazo, sistemas DTM serão chamados a fornecer mais dados 3D, bem como capacidades de simulação. Grande parte dos dados 3D terá que vir de fabricantes de ferramentas que trabalharão com clientes para otimizar avanços e velocidades, minimizar inventário e abrir a porta para maior feedback de ferramentas e processos de usinagem."

Uma ênfase aumentada em criação e/ou recuperação rápida de dados é chave, de acordo com Martin. Quanto a novas tecnologias, ele acredita que "como o custo de entrada é muito alto, incorporar manufatura aditiva avançada não será economicamente viável para a maioria dos clientes. Dado o input requerido 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 conectividade em todos os níveis será o impulso principal de DTM no curto a médio prazo. "Conectividade acelerada, em vários casos, definirá a necessidade de ferramentas especializadas, que em algumas instâncias requerem impressão. O fator crucial aqui envolve o desenvolvimento de materiais que podem entregar os melhores resultados."

As muitas direções divergentes em DTM indicam que protocolos rígidos são inadequados. Em um ambiente de manufatura dinâmico caracterizado por designs revolucionários, novos e em alguns casos materiais customizados, e métodos e máquinas inéditos há pouco tempo, a definição tradicional de "ferramenta" se alargou. Da mesma forma, o uso otimizado de todos os inputs e ativos em manufatura requer sistemas que podem acomodar tanto funções interativas quanto discretas. Como Rizzie observou, "Com digital, estamos movendo de conhecimento tribal para conhecimento de sistema."

Embora um segmento crescente da comunidade de manufatura reconheça a necessidade e inevitabilidade de sistemas DTM, a compreensão de como aqueles protocolos serão definidos, implementados e ultimamente usados varia amplamente. Enquanto padrões incluindo ISO 13399, Industry 4.0 e MTConnect contribuíram com algum grau de estrutura, muito debate continua sobre o que o sistema deve incluir (apenas ferramentas ou ferramentas, fixadores e equipamentos auxiliares), quem deve ser responsável pelo gerenciamento contínuo do sistema (pessoal da instalação vs. fabricantes/fornecedores de ferramentas), até onde DTM deve se estender funcionalmente e quais departamentos devem ser incluídos (operações de manufatura, finanças, gerenciamento), e como o sistema deve evoluir da implementação para o futuro.

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

Das muitas vertentes desta tecnologia disruptiva, parece que sistemas DTM serão por necessidade altamente customizados e continuamente evoluindo baseados em fatores incluindo a natureza de peças e materiais, a extensão de automação, e os resultados desejados. Claramente, modularização continuará a desempenhar um papel principal.