Como Montadoras Estão Aprimorando Produção com Robôs Colaborativos e Impressão 3D

A indústria automotiva está adicionando robôs mais sofisticados, olhando para impressão 3D e integrando outras tecnologias avançadas.

A indústria automotiva dos EUA tem sido automatizada por décadas. Produção de carros e caminhões é associada a robôs grandes e pesados cercados de funcionários humanos. Dentro dessas áreas cercadas, tarefas como soldagem são realizadas.

A indústria, porém, está avançando na frente da automação. Montadoras e fornecedores estão se movendo em direção ao uso de robôs colaborativos, conhecidos como cobots. Tais dispositivos frequentemente são menores, têm mais destreza e podem ser implantados com segurança ao lado de operadores humanos.

Além disso, a indústria também quer expandir o uso de impressoras 3D. Montadoras como Ford Motor Co. e BMW AG estão trabalhando diretamente com fabricantes aditivos sobre implantação da tecnologia. Empresas também estão utilizando realidade virtual e aumentada para lidar com questões de manufatura. E, como é o caso com muitos outros fabricantes, a indústria automotiva quer tirar o máximo proveito da Indústria 4.0, onde máquinas "conectadas" se comunicam entre si e com operadores humanos.

"Há muitas maneiras pelas quais a nova automação difere do que a automação parecia nos anos 1980", disse Kristin Dziczek, vice-presidente de indústria, trabalho e economia no Center for Automotive Research (CAR) baseado em Ann Arbor, Mich.

"Hoje em dia, automação não está apenas replicando esforço físico humano, mas também conectando-o a outros sistemas cibernéticos e físicos tanto dentro quanto fora da fábrica", disse Dziczek. "Isso significa que fabricantes estão obtendo mais dados da automação e mais controle sobre o sistema total de manufatura — não apenas controle sobre estações automatizadas individuais."

Um símbolo das tendências de automação automotiva é o novo Centro de Manufatura Avançada da Ford no subúrbio de Detroit, Redford, Mich. Dentro, impressoras 3D e cobots são estudados para maneiras de serem usados no chão de fábrica. As instalações de realidade virtual e aumentada do centro são uma maneira para fábricas da Ford no mundo todo lidarem com questões como como estacionar equipamentos de produção no chão da fábrica.

A Ford formou uma organização de manufatura avançada em 2017, reunindo funcionários de toda a operação de manufatura da montadora. O grupo identificou seu local no ano passado depois que uma empresa industrial mudou para outra localização na área de Detroit.

"A Ford Motor Co. tem um relacionamento muito maduro com automação", disse Mike Mikula, engenheiro-chefe da organização global de manufatura avançada para a Ford. A empresa queria acelerar sua tecnologia de manufatura, disse ele.

O que segue são algumas das maneiras pelas quais automação e novas tecnologias na indústria automotiva estão evoluindo.

Impressão 3D Ganha Força

Impressão 3D, ou manufatura aditiva, envolve imprimir uma peça camada por camada a partir de um design digital. A tecnologia está mudando para imprimir peças maiores e fazer mais impressão com vários tipos de metais. Aeroespacial tem investido em aditivo há anos porque impressão 3D permite novos designs e tem a promessa de uso mais eficiente de metais como titânio.

No entanto, a indústria automotiva tem volumes de produção maiores. Até agora, adoção de impressão 3D por montadoras e fornecedores ficou atrás de seus equivalentes em aeroespacial.

"Aplicações atuais de impressão 3D são limitadas a ferramentas, matrizes, moldes, gabaritos, dispositivos de fixação e algumas peças de baixo volume", disse Dziczek do CAR. "Os verdadeiros obstáculos para adoção mais ampla de impressão 3D em autos e peças produzidas em massa são tempo de ciclo, custo e custos afundados dos atuais processos de formação de peças baseados em estampagem, moldagem e usinagem. Impressão 3D tem que ficar mais rápida e custos têm que cair consideravelmente antes que veremos aplicações generalizadas de alto volume na indústria automotiva."

No entanto, desenvolvimento de manufatura aditiva está em andamento na indústria automotiva.

"Avanços dentro da tecnologia de impressão 3D em si criam uma série de soluções que historicamente não estavam disponíveis", disse Mikula da Ford. As melhorias incluem "a velocidade na qual podemos imprimir e com os materiais pelos quais podemos imprimir. A introdução de polímeros reforçados com fibra de carbono (CFRP), plásticos avançados e certamente metal mudaram dramaticamente as aplicações potenciais do ponto de vista do que é a 'arte do possível'."

"Quando você combina isso com" capacidade de computação aumentada, ele continuou, "você deixa o software ajudar a projetar a peça. Não requer o mesmo nível de esforço de engenharia e tempo de espera para fornecer uma solução principal que atenda a todos os seus requisitos. Então, tanto em termos do que podemos imprimir e quão rápido podemos imprimi-los... torna a impressão 3D uma tecnologia muito intrigante. Certamente nosso objetivo aqui é alavancá-la do ponto de vista de fornecer a nossos processos de manufatura as ferramentas e auxiliares de montagem que eles precisam para ser mais robustos, bem como potencialmente superar alguns dos desafios tecnológicos associados com impressão 3D."

Anteriormente, a Ford colaborou com a Stratasys Ltd. em impressoras 3D de protótipo para produzir peças grandes. A montadora, baseada em Dearborn, Mich., também é investidora, junto com a BMW, na Desktop Metal, uma empresa de manufatura aditiva baseada em Burlington, Mass. Ken Washington, diretor de tecnologia da Ford, está no conselho da Desktop Metal.

Ford e BMW "sabem que isso está chegando", disse Jonah Myerberg, diretor de tecnologia e cofundador da Desktop Metal. "Eles estão com pressa. Ainda são alguns anos para ser visto por todo um veículo."

Myerberg disse que impressão 3D provavelmente se expandirá além de moldes e gabaritos, mas há muita incerteza.

"Você não pode apenas olhar para uma área do veículo", disse ele. "Você tem que olhar para o veículo inteiro. O que tentamos fazer é abrir os olhos deles para o que vemos como os principais benefícios da impressão 3D." O executivo da Desktop Metal disse que montadoras podem empurrar a tecnologia para seu nível superior de fornecedores.

"Há muita coisa acontecendo nos bastidores que esses engenheiros não vão falar", disse Myerberg. "Nós só temos uma pequena imagem de como nossos clientes vão usar essas impressoras."

Em setembro, a HP Inc. introduziu uma nova tecnologia de impressão 3D que chama de HP Metal Jet, destinada para produção em massa de peças de aço. A Volkswagen AG pretende usar a tecnologia HP Metal Jet para produzir veículos elétricos na década de 2020, segundo a HP. Veículos elétricos têm menos peças móveis que motores de combustão interna convencionais. Como resultado, EVs podem ser uma oportunidade para expandir manufatura aditiva na indústria automotiva.

Robôs Colaborativos

Robôs foram um dos primeiros exemplos de automação no chão de fábrica da indústria automotiva.

Os estágios iniciais de adoção de robôs consistiram em fazer trabalhos perigosos e repetitivos, disse Lou Finazzo, gerente geral, mercados automotivos e de componentes para a FANUC America Corp., Rochester Hills, Mich. Muitos robôs eram usados para soldar carrocerias de carros e caminhões.

"Humanos eram restritivos no que a indústria automotiva podia realmente evoluir no lado da carroceria", disse ele. Era desafiador para operadores humanos manipular "aqueles gigantescos revólveres de solda grandes" e alcançar cegamente através do veículo e aplicar numerosos pontos de solda "que você não sabia se eram bons ou ruins.

"Uma vez que a tecnologia robótica decolou, eles podiam projetar veículos um pouco diferente, [com] montagem mais complexa", ele continuou. "Também, tendo um loop de controle melhor na qualidade, o que permitiu que eles realmente reduzissem a quantidade de soldagem e componentes estruturais, fez a montagem de veículos evoluir para onde estamos hoje. Esses foram os estágios iniciais."

Hoje, robôs e automação estão subsidiando mão de obra, e há escassez de mão de obra para fabricantes e fornecedores, segundo Finazzo.

"Então agora você pode pegar uma pessoa e essa pessoa pode ser responsável por quatro, cinco robôs colaborativos e você realmente aumentou a eficiência deles... Quando falamos com construtores de carros tradicionais, a flexibilidade que é necessária é muito mais do que costumava ser no passado", disse ele.

Robôs colaborativos estão sendo notados na indústria automotiva. "Dois fatores-chave impulsionando o interesse da indústria automotiva em robôs colaborativos são velocidade e custo", disse Darrell Paul, gerente de marketing para robótica e controle de movimento na Omron Automation Americas, Hoffman Estates, Illinois. "Robôs colaborativos podem ser implementados mais rápido e em ambientes de manufatura existentes. Esses robôs também têm a capacidade de trabalhar com células de manufatura e operadores existentes, o que elimina a necessidade de custos adicionais de estrutura ou infraestrutura."

A empresa introduziu sua nova série TM de cobot na CES deste ano em Las Vegas. Segundo a Omron, o robô, que tem um sistema de visão, permite inicializações e trocas rápidas. A Omron também afirma que o software do robô permite que ele seja treinado para diferentes tarefas.

No Centro de Manufatura Avançada da Ford, há robôs feitos pela FANUC, ABB, Universal Robots e KUKA Robotics.

"Muito do trabalho feito em nossas fábricas não requer um robô industrial que tenha o nível de alcance e carga útil que robôs industriais basicamente abordam", disse Mikula da Ford. "Robôs colaborativos fornecem uma pegada de manufatura pequena, e podem ser incorporados com segurança entre nossos técnicos e nossas instalações sem ter que construir uma infraestrutura significativa de proteção."

"Com um robô colaborativo, você pode ter uma solução muito mais simples; [você pode] trazer o trabalho para o robô para que o robô possa executar o trabalho com segurança e de maneira confiável", Mikula continuou.

"Nossas instalações de manufatura são muito caras para modificar", disse ele. "O conteúdo em nossos veículos continua a aumentar. O esforço [necessário] para montar motores, transmissões, pacotes de baterias e veículos continua a aumentar com o tempo. Então onde podemos acomodar esse conteúdo adicional e introduzir automação para fazê-lo... para garantir que entreguemos aos nossos consumidores o produto de mais alta qualidade possível a um preço acessível, é onde robôs colaborativos realmente se encaixam na equação."

Do ponto de vista de fornecedores de robôs, há muita pressão para performar.

"Com automotivo, velocidade para mercado é muito importante", disse Finazzo. "Dez anos atrás, [isso] teria sido um enorme sucesso lançar um novo caminhão em 18 meses. Agora, eles são tipo, 'uau, precisamos fazer em 12 meses.' Então, velocidade para mercado é um grande negócio."

Fornecedores Automotivos Se Ajustam

Alguns fornecedores automotivos se ajustaram ao aumento do uso de cobots e ao ritmo mais rápido.

A Inficon, baseada em Bad Ragaz, Suíça, fabrica dispositivos de inspeção automotiva para sistemas automotivos. A empresa viu seu equipamento implantado com robôs colaborativos menores. Dispositivos Inficon são usados para detectar vazamentos de umidade ou gases. Com robôs colaborativos, a Inficon tem mais oportunidades para seus dispositivos serem anexados a robôs. Produtos Inficon agora são usados para detectar umidade em sistemas de veículos elétricos.

"Isso é algo em que trabalhamos por cinco a sete anos", disse Thomas Parker, gerente de vendas automotivo da América do Norte da Inficon.

Robôs colaborativos tornam mais fácil implantar dispositivos Inficon. "Estamos fazendo muita educação para clientes sobre o que é possível com um robô colaborativo, o que é possível com um robô de seis eixos. Há muita educação da parte da minha equipe."

A Hydromat Inc., fabricante de máquinas-ferramenta cujos clientes incluem clientes automotivos, se ajustou às tendências da indústria.

Com a Hydromat, "a automação se tornou mais interativa", disse Kevin Shults, diretor de marketing para a empresa baseada em Maryland Heights, Mo. "Para trabalhadores, os sistemas se tornaram mais interativos entre operadores e as máquinas-ferramenta que eles operam. Programação na máquina é mais comum."

Mudanças na indústria automotiva significam "troca mais frequente", disse Shults. "Trocas têm que ser mais rápidas."

Shults adicionou, "Automação é essencial na busca para oferecer a nossos clientes automotivos as multi-famílias de peças que lhes dão diversidade e lucros de produto."

Trabalhadores Se Ajustam

Esforços estão em andamento para melhorar habilidades dos trabalhadores à medida que a indústria automotiva se torna mais sofisticada.

A AIDT, programa de treinamento de força de trabalho do Alabama, está tentando intensificar seus esforços de treinamento de trabalhadores à medida que o emprego na indústria automotiva se torna mais sofisticado. Funcionários em fábricas vão para instalações da AIDT em Tanner, Ala., perto de Huntsville para sessões de treinamento.

O Alabama abriga várias fábricas de montagem de veículos. O estado também tem fábricas aeroespaciais. Como resultado, o Alabama está tentando melhorar seu treinamento de manufatura. Em janeiro, uma delegação do Alabama visitou a sede de Detroit da Lightweight Innovations For Tomorrow (LIFT), o instituto Manufacturing USA que reúne empresas e acadêmicos para melhorar tecnologia de leveza para manufatura.

"O Alabama [está] evoluindo na manufatura", disse Kristi Bain, diretora assistente da AIDT.

"Temos que trabalhar em um cenário de manufatura avançada", disse Ed Castle, secretário adjunto de comércio do Alabama na comissão de desenvolvimento de força de trabalho da agência. "Para nós, é uma equação simples. Qual é a necessidade e como você define essa necessidade?"

Mikula da Ford disse que essas tendências refletem como a manufatura automotiva é mais atraente do que já foi.

"É um lugar realmente empolgante para estar", disse ele. "É um lugar realmente divertido para estar."