Manufatura em 2050: Como Automação e Inovação Humana Moldarão o Futuro

Tendências poderosas empurrarão a manufatura para perto da automação completa até 2050, enquanto as pessoas que ainda trabalham na indústria serão capacitadas para 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 impedir o homem de tocar no equipamento."

Ainda não chegamos lá. Mas uma série de tendências poderosas e interconectadas nos levará perto desse estado até 2050, enquanto as pessoas que permanecerem na manufatura serão capacitadas a 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. Multitarefa será comum, talvez quase universal. A tendência está bem estabelecida.

Como observou o veterano da indústria Scott Walker, presidente da Mitsui Seiki USA (Franklin Lakes, NJ): "No início dos anos 2000, o mercado norte-americano para máquinas de cinco eixos era 150. Hoje são 3.000. As máquinas também estão combinando retífica e fresamento, ou deposição de metal a laser e fresamento, ou retífica e endurecimento de trabalho." Ele acrescentou que, embora o benefício seja a capacidade de realizar mais dentro do envelope de trabalho, o "pesadelo" tem sido fazer todas essas funções operarem propriamente e consistentemente. "Mas isso mudará à medida que tecnologia, monitoramento e software melhorarem."

O elefante na sala para muitos fabricantes é o quanto a impressão 3D alterará a mistura de tecnologia, e além disso, suas implicações para design de produtos e uma série de outras questões. Até agora, as limitações de velocidade e altos custos de matéria-prima da manufatura aditiva limitaram severamente sua viabilidade além de prototipagem. Mas Terry Wohlers, consultor principal e presidente da Wohlers Associates (Fort Collins, CO), disse que a velocidade "não será inimiga" até 2050.

Considere 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 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 requerem muita energia, que é cara. Wohlers acha que superaremos essas limitações, talvez "aproveitando a energia do sol diretamente para fundir material, em vez de ligar em uma tomada de 440 volts."

Wohlers acrescentou que a deposição de energia direcionada é inerentemente mais rápida que o método de leito de pó para construção de componentes metálicos, mas "os usuários são limitados nos objetos que podem criar e há uma compensação na resolução, geralmente requerendo usinagem, e às vezes uma quantidade significativa." Isso nos traz de volta a sistemas híbridos que combinam aditivo com fresamento CNC. Como Walker, Wohlers acredita que os problemas em fazer essas duas abordagens funcionarem harmoniosamente serão amplamente resolvidos nos próximos 32 anos.

Outro fator argumentando para maior uso de técnicas aditivas é uma queda esperada nos custos de material e uma gama mais ampla para escolher. "As máquinas de hoje trabalham com apenas algumas dezenas de termoplásticos, por exemplo", disse Wohlers, "mas milhares estão disponíveis para manufatura convencional."

Talvez mais importante, os polímeros atualmente usados na impressão 3D custam até 50 vezes mais que polímeros similares para manufatura convencional. Isso coloca o ponto de equilíbrio nas centenas a milhares de unidades dependendo do tamanho da peça. Mas Wohlers disse que muitas das patentes em máquinas que produzem peças com polímeros expiraram, levando a novas máquinas que usam materiais de custo menor. "O ponto de equilíbrio melhorará dramaticamente para que o aditivo desafie a injeção de molde para uma gama muito mais ampla de produtos, incluindo aplicações de volume mais alto."

Há um caso similar a ser feito para metal, mas Walker, por exemplo, é cético de que o aditivo alcançará um perfil de custo em metais que justifique substituir métodos tradicionais. "É muito mais fácil aquecer 60 toneladas e laminar chapa de aço do que construir algo com metal em pó ou revestimento", disse Walker. "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 de substituição para fazer 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 tem um ás na manga, 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, também ajuda a aliviar o problema de velocidade da impressão 3D. Isso porque uma estrutura de treliça aberta possível pela impressão 3D pode atingir a resistência e rigidez necessárias para muitas aplicações com muito menos material que uma estrutura sólida. E a velocidade de produção da impressão 3D é diretamente proporcional ao volume cúbico de material. Estranhas novas estruturas se sobrepõem bem ao nosso próximo tópico.

Design Criativo Automatizado

Na visão de Walker, a manufatura está prestes a alcançar seus maiores ganhos de produtividade em duas áreas, uma das quais é digitalizar todo o trabalho necessário para preparar um processo de manufatura. "Hoje um designer começa com um modelo digital, e então gera um caminho de ferramenta... então alguém projeta um dispositivo... então você pega uma forja... então um engenheiro de aplicação alimenta o programa à máquina gota a gota e vai ferramenta por ferramenta e monitora como o corte soa e como parece... e eventualmente ele faz a máquina produzir a peça... e então ele refina todos os movimentos para 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 deste 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 roda na nuvem e usa aprendizado de máquina e inteligência artificial (IA) para gerar automaticamente centenas de designs que cada um satisfaz os critérios do designer para resistência, custo, método de manufatura, material e assim por diante. Além disso, explicou Bob Yancey, diretor de estratégia de manufatura e produção da Autodesk, os designs "não são apenas alguma geometria idealizada impossível de usar, são modelos CAD reais funcionais que podem ser manipulados posteriormente em software CAD."

Eles também são o que Yancey chama de "conscientes de manufatura", o que significa que começaram com os métodos de manufatura desejados incorporados como uma restrição desde o início. "Então, se você especificar que a peça precisa poder ser usinada em um CNC de cinco eixos, todas as suas opções de design estarão em conformidade com essa restrição", disse ele.

Não elimina a necessidade de um designer humano. Como Yancey colocou, "Descrever o desafio de design com precisão e expertise é uma habilidade de engenharia que não vai desaparecer. O que o software de design generativo faz é lhe dar mais opções de design do que qualquer humano poderia conceber por conta própria, então você tem maior confiança de que está considerando muito mais opções e obtendo melhores resultados. Vemos isso como um futuro de co-criação entre engenheiro e computador, ou inteligência humana e inteligência artificial."

Talvez mais profundo, os designs são frequentemente surpreendentes e superiores ao que um humano teria imaginado. Como Diego Tamburini, líder principal da indústria — Comunidades da Indústria de Manufatura / Divisão Cloud + IA para a Microsoft (Redmond, WA) colocou, "Se eu sento na frente da minha ferramenta CAD para projetar uma peça, já tenho 1.000 preconceitos sobre como ela deve parecer baseados em séculos de designs anteriores. A IA não tem tais noções. E embora eu concorde que automatizar design é um problema difícil e é difícil imaginar um computador projetando itens complexos, temos que reconhecer que, inversamente, há muitas instâncias em que estamos vivendo com designs humanos subótimos."

Alguns de nossos preconceitos vêm 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 limitada nas formas que pode criar.

Se você remover essas restrições e deixar a IA trabalhar, o design generativo frequentemente cria formas que são "completamente diferentes do que estamos acostumados. Mais orgânicas, como ossos de animais", disse Tamburini.
Wohlers ecoou isso e disse que a natureza oferece excelentes exemplos de estruturas com notáveis relações resistência-peso. Até recentemente, impressoras 3D produziam estruturas de treliça, malha ou celulares definidas por programas enlatados com pouco entendimento 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, poderíamos ver estruturas superleves em diferentes ligas metálicas que são mais leves que compósitos de fibra de carbono, que são demorados de produzir e caros."

Tamburini disse que viu casos em que o computador cria uma forma treliçada que não inspira confiança no humano (parece leve e frágil demais), então o designer a cobre com algo para que pareça mais robusta. As pessoas continuam sendo pessoas, afinal.

Acelerando o Processo

Krisztina "Z" Holly, fundadora e instigadora-chefe 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 enormemente o ciclo iterativo de desenvolvimento de produtos. Além da capacidade de obter mais feedback do consumidor mais cedo no processo, o que pode levar a produtos muito melhores, ela apontou 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 querem", disse ela. "Também será mais fácil para empreendedores iniciar um negócio de manufatura. Que tipos de produtos se tornarão 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. Um é habilidades tecnológicas profundas para codificar esses sistemas e entender os meandros do que funciona e do que não funciona." O outro é compreensão empática das necessidades do cliente e oportunidades de mercado.

Quais habilidades se tornam menos críticas? Na verdade, operar as máquinas. O processo de design para CAM será mais ou menos automatizado. Como Walker explicou, se o modelo de design incluísse informações sobre o material (como está se tornando padrão), a máquina "deveria ter a inteligência para fazer o resto. Pegar as ferramentas certas de um rack de 8.000 ferramentas e seguir os caminhos de ferramenta corretos nas velocidades apropriadas. A máquina deveria ter capacidades de monitoramento visual e audível para evitar colisões e também avaliar as condições de corte e ajustar velocidades e avanços de acordo. É o que engenheiros de aplicação fazem hoje. Quantos precisaremos em 30 anos? Esperançosamente nenhum."

Dito isso, Holly alertou contra foco exclusivo em empregos. Primeiro, haverá empregos — apenas diferentes, mais criativos. E segundo, "A coisa importante é manter a inovação local", disse ela. "Há muitos negativos em enviar design e manufatura para o exterior. Você perde 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 manufatura em si."

Feito Sob Encomenda... Localmente

Todos parecem concordar que a manufatura se tornará muito mais geograficamente dispersa, um processo grandemente auxiliado pelas capacidades multiplicadas de máquinas-ferramenta individuais. Yancey disse que muitos fabricantes querem tanto diminuir risco quanto fazer produtos mais perto do cliente para melhor adaptá-los ao mercado.

Walker concordou e também previu que custos de transporte e impactos ambientais levarão empresas a produzir localmente. Ele acrescentou que também há compensações governamentais mandatadas, nas quais um fabricante deve produzir um certo número de peças em um país para poder vender produtos naquele país. Outro motivador é manter a rentabilidade apesar de flutuações cambiais, um problema exacerbado por margens apertadas.

Ao mesmo tempo, haverá um grau muito maior de personalização e uma cadeia de suprimentos muito mais apertada. Como Tamburini resumiu: "A prática de prever demanda e produzir em massa peças para atender à demanda esperada será virada de cabeça para baixo. Será mais próximo do cliente dizendo ao fabricante exatamente o que quer e o fabricante fazendo isso então e só então. Digitalização e automação estão tornando este sonho mais tecnicamente, e até economicamente, viável."

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

Como Walker colocou, "Hoje uma empresa precisa de um contrato de três a cinco anos para fazer um componente porque o custo de comprar, programar e ferramentar uma máquina para fazer a peça consistentemente e com precisão é enorme." Torne as máquinas automatizadas e multifuncionais e elimine muito do esforço de setup e a manufatura se torna um negócio mais ágil, e talvez de margem menor. Como Holly da Make It in LA teria, o processo de design e as ferramentas e interfaces de design se tornam ainda mais importantes.

Mantendo as Coisas Funcionando

Digitalização aumentada, "hiperconectividade" e IA devem melhorar enormemente nossa capacidade de manter a produção rodando com 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 IA para prever o que acontecerá. A próxima fase neste 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 específicas de peças. 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 sobre a falha iminente: pedir a peça, programar o tempo de inatividade, mover certos trabalhos para máquinas alternativas, e assim por diante. Você poderia até imaginar uma máquina se consertando sozinha ou pedindo o robô que pode, embora Walker disse que não acha que jamais nos livraremos da necessidade de técnicos de manutenção humanos. No entanto, ele acha que as máquinas se comunicarão audivelmente 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 informação digital sobre a realidade, dando superpoderes, em certo sentido. Pessoas estão descobrindo que realidade aumentada pode ser usada para fazer coisas como fornecer instruções de montagem, ou instruções de QC, ou instruções de manutenção, reduzindo assim a necessidade de treinamento." Por exemplo, um especialista em manutenção remoto pode auxiliar um técnico local apontando para uma peça ou indicando como mover uma peça, como se ambos estivessem olhando para a mesma coisa na mesma oficina juntos.

Finalmente, Tamburini apontou que uma das belezas do aprendizado de máquina é que "no momento em que ficam melhores, essa capacidade ou conhecimento pode ser instantaneamente transmitido para o mundo inteiro, porque é apenas software. Então todo mundo fica mais esperto e melhor, assumindo que possamos compartilhar dados." Ele contrastou isso com confiar em um especialista na planta que usa seus próprios anos de experiência para interpretar os sons das máquinas e coisas assim. "É muito desafiador distribuir esse tipo de conhecimento."

O Que Não Mudará

Na medida em que surgiu, os especialistas não parecem achar que a precisão de manufatura avançará muito nos próximos 30 anos. "Estamos trabalhando em tolerâncias agora onde a metrologia para determinar a precisão é o problema maior", como Walker colocou. "O próximo passo para obter tolerâncias melhores seria manipulação molecular", (o que ninguém imaginou). Ninguém pareceu achar que a velocidade de usinagem seria significativamente mais rápida também. Mesmo a melhoria nas velocidades de impressão 3D discutida anteriormente será mais evolutiva do que revolucionária — não tão significativa quanto o aumento de produtividade devido a melhorias de software. Da mesma forma, nossa capacidade atual de produzir componentes minúsculos já é incrível. Wohlers referiu-se à miniaturização como "parcialmente uma solução procurando um problema. Uma das poucas aplicações são minúsculos sensores incorporados dentro de peças impressas em 3D."

Se você está preocupado com as mudanças, Walker pode confortá-lo com este pensamento: "Estamos ajustando a manufatura desde os anos 1780. Os próximos 30 anos serão mais ajustes, a menos que venhamos com algo verdadeiramente revolucionário." Ele me perguntou se alguém disse que descobriram como manipular a gravidade para que pudéssemos voar à lua sem queimar combustíveis fósseis, sabendo a resposta. Venha a pensar, ninguém mencionou o cachorro que impedia o homem de fazer mudanças na máquina, também.