Especialistas Pedem Maior Automação para Atender à Demanda Futura de Aeronaves

Necessidades comerciais sozinhas nos próximos 20 anos sugerem duplicação das taxas de produção

Antes da pandemia de coronavírus virar a vida normal de cabeça para baixo e essencialmente fechar as companhias aéreas comerciais, a indústria da aviação tinha uma necessidade projetada de 40.000 novas aeronaves – aviões, helicópteros, táxis aéreos e veículos aéreos não tripulados – nos próximos 20 anos. O volume inclui substituições para aeronaves que envelhecem e saem de serviço após uma vida útil média de 25-30 anos e está no topo de um backlog de aproximadamente oito anos.

Se a demanda por voos retornar ao seu nível anterior uma vez que as restrições relacionadas à pandemia diminuam, a única maneira de satisfazer a necessidade projetada é através de maior automação, disseram alguns especialistas da indústria.

Diferente de muitos outros setores, a indústria da aviação é uma onde o trabalho manual é comum porque não há processos de manufatura alternativos viáveis atuais. Mas considerando o registro da Statista de aumentos ano a ano na demanda de 2006-2019 para demanda global de passageiros de tráfego aéreo (os aumentos variaram de 2,4% a 8,1%, exceto 2009 no auge da Grande Recessão) e outros fatores, maior eficiência é obrigatória se a indústria vai acompanhar.

Pesquisadores estão tentando descobrir como automatizar alguns processos, como layup manual. Mas existem outras medidas automatizadas atualmente disponíveis, incluindo projeção de instruções para montagem em estações de trabalho e para processos automatizados de selante, fixação, marcação e manuseio de material.

A aviação comercial sozinha exigiria uma duplicação efetiva das taxas de produção, disse John D. Russell, chefe da filial de tecnologia de estruturas no Laboratório de Pesquisa da Força Aérea.

Além de aviões comerciais, os militares estão explorando aeronaves atritáveis que poderiam ser produzidas aos milhares.

Finalmente, o conceito de táxi aéreo tem ganhado força de empresas tradicionais de aviação e empresas como a Uber e exigiria ainda mais produção.

"Para qualquer um desses casos individualmente, estou ouvindo de meus contatos na indústria que os EUA não têm a capacidade atualmente", disse Russell, alertando que sua informação é de antes do vírus atingir o mundo. "Se todos os três se tornarem realidade ao mesmo tempo, a indústria vai ter que ser criativa sobre como resolver o problema de capacidade.

"A grande alternativa que estou ouvindo é o uso de automação para aumentar produtividade e vazão, especialmente para aviação comercial. Empresas estão pesquisando qualquer forma que a automação possa melhorar as coisas, desde fabricação de peças até montagem. Estou ouvindo que o custo de capital para automação é menor que o de adicionar novas linhas de produção."

Russell disse que não ficaria surpreso em ver a indústria de táxi aéreo buscar produção offshore porque o preço do veículo provavelmente será um grande driver para seu modelo de negócios. Ele duvida que veríamos offshoring para aviação comercial porque a indústria provavelmente manteria relações de fornecedores estabelecidas devido ao alto nível de habilidade envolvido para a força de trabalho. Obviamente, offshoring não seria uma opção para qualquer veículo militar, ele observou.

Entregar 40.000 aeronaves em 20 anos exigiria produzir 2.000 aviões por ano, o que é muito maior que as entregas antes da pandemia.

Um backlog nas entregas foi criado quando os fabricantes não conseguiram ferramentar rápido o suficiente para atender à demanda aumentada criada por um aumento no transporte aéreo.

Além disso, os consumidores agora veem a viagem aérea como uma necessidade em vez de um luxo e têm os meios para pagar por viagens pessoais.

Como resultado, as companhias aéreas comerciais expandiram suas ofertas para dar àqueles consumidores ávidos por voos flexibilidade nos horários de decolagem.

A Boeing tinha um backlog de 5.049 aeronaves em 1º de maio, enquanto os pedidos pendentes da Airbus haviam se acumulado em 7.650 em 31 de março.

Antes da pandemia, um renascimento da competição entre Boeing e Airbus era esperado para resultar em entregas recordes de suas plataformas narrow-body altamente populares e um crescimento de 9,4% ano a ano na produção em 2019. Boeing e Airbus eram projetados para produzir mais de 1.750 aeronaves no ano passado, acima de 1.606 unidades em 2018, de acordo com um comunicado de imprensa de meados de junho de 2019 da empresa de pesquisa e análise Frost & Sullivan.

Em agosto, porém, outros estavam cortando esses números.

A produção global de aeronaves havia caído um quarto após a paralisação do 737 Max da Boeing em março de 2019 após dois acidentes fatais, de acordo com um artigo do jornal The Guardian. A ADS, grupo de lobby aeroespacial britânico, disse que 88 aeronaves foram entregues em julho de 2019, queda de 24% nas entregas durante o mesmo mês do ano anterior, com a queda devido principalmente à queda na produção de aviões de corredor único como o 737.

No final do ano passado, Airbus e Boeing combinados haviam entregue 1243 aeronaves.

A indústria está agindo para aumentar esses números.

"Os dois maiores fabricantes de aeronaves comerciais, Boeing e Airbus, estão colocando muito dinheiro adicional no aumento da taxa de produção", disse Bill Bigot, vice-presidente de desenvolvimento de negócios para aeroespacial e defesa na JR Automation.

No final do ano passado em Hamburgo, Alemanha, a Airbus implementou sua linha de montagem altamente automatizada de estrutura de fuselagem da família A320.

A nova instalação possui 20 robôs, um novo conceito de logística, posicionamento automatizado por medição a laser, bem como um sistema de aquisição de dados digital, disse a empresa.

Além do uso de robôs, a Airbus também está implementando novos métodos e tecnologias em logística de materiais e peças para otimizar a produção, melhorar a ergonomia e encurtar prazos de entrega. Isso inclui a separação de níveis de logística e produção, reposição de material orientada pela demanda e o uso de veículos guiados autônomos.

Na mesma época, no entanto, a Boeing encerrou um esforço de automação total de quatro anos em sua fábrica em Everett, Wash., que usava braços robóticos para inserir fixadores em duas seções principais de fuselagem de seus jatos 777 e 777X, optando em vez disso por inserção manual por mecânicos qualificados.

Robôs ainda perfuram os furos para os fixadores em um sistema automatizado de "flex track", resultando em um processo combinado humano-robótico, de acordo com relatórios publicados.

O esforço pode valer a pena no final, no entanto.

Os esforços fracassados de usar robótica ensinaram à Boeing algumas lições valiosas de seu "primeiro mergulho muito profundo naquele tipo de tecnologia", disse Jason Clark, um vice-presidente da Boeing supervisionando a produção do 777X, ao Los Angeles Times. "Nos ensinou como projetar para automação", Clark foi citado em um artigo de novembro.

O novo método cria menos desgaste nos trabalhadores desde que máquinas desenvolvidas pela Electroimpact Inc. lidam com uma das tarefas mais fisicamente exigentes da montagem de fuselagem: perfurar furos através do metal, de acordo com o artigo do Times.

Também, "Redesenhamos partes da construção para substituir rebites por formas de fixadores menos difíceis, melhorando ainda mais a ergonomia", disse um porta-voz da empresa.

Nem todas as medidas para aumentar a produção incluem novas linhas e robôs.

Em sua fábrica em North Charleston, S.C., a Boeing: equipou mecânicos com exoesqueletos projetados para reduzir a tensão do trabalho sustentado acima da cabeça; implantou chaves inteligentes habilitadas para Bluetooth para garantir que os trabalhadores apliquem o torque correto a uma porca, e use realidade virtual para mecânicos testarem novas ferramentas, de acordo com a Reuters.

Robôs podem assumir o layup manual?

Antes de quaisquer estruturas de fuselagem serem enviadas para Hamburgo ou fábricas da Boeing no Estado de Washington, elas são fabricadas em processos de manufatura de compósitos automatizados (ACM), incluindo colocação automatizada de fibra e layup automatizado de fita.

ACM é adequado para peças médias ou grandes como fuselagens, asas e bulkheads que também são planas ou levemente contorneadas.

Mas peças de compósito pequenas e médias são fabricadas por layup manual, um processo muito ineficiente que desperdiça muito material.

Isso é um grande negócio porque essas peças – clipes, suportes, vigas I e portas de acesso – podem representar até metade do peso de uma estrutura e numerar aos milhares para apenas um avião.

"Também, essas peças que têm que ser feitas por layup manual têm que ser cortadas e darted, espremidas, o que for", disse Les Cohen, um consultor de compósitos. "Isso significa que sua taxa buy-to-fly pode ser um fator de 2: se você está trabalhando com um material que custa $40 a libra, é efetivamente material de $80 a libra."

Uma equipe da Universidade do Sul da Califórnia completou recentemente um projeto de demonstração para automatizar layup com braços robóticos.

Embora não seja automação, ainda há espaço para melhorar os materiais usados na construção de aviões.

A indústria entende que o tempo que leva para autoclave peças em processo em operações de debulking a cada poucas camadas junto com a cura da peça final leva muito tempo. Resinas de cura rápida que têm as propriedades de peças curadas em autoclave mas sem o processo de autoclave são a resposta, mas não estão disponíveis, disse Cohen. Com investimentos com média de até cinco anos de tempo e um custo estimado de $10 milhões para desenvolver novos materiais, sem garantia de que serão aceitos, é compreensível que esse desafio não seja atendido, disse ele.

4ª Revolução Industrial lenta para decolar no aeroespacial

A Indústria 4.0, com sua promessa de maior produtividade e qualidade, também pode ajudar a impulsionar a produção da aviação, mas a indústria tem sido lenta em adotar o mundo conectado, digitalizado e orientado a dados da quarta revolução industrial.

"Eu diria que essas coisas estão apenas entrando em operação agora na produção e entregando resultados. Estamos muito envolvidos nisso e estamos apenas no ponto onde podemos lançar isso em nível de programa e realmente dar algo a uma fábrica que afetará absolutamente sua eficiência", disse Andrew Purvis, gerente de projeto para layup de compósitos e automação na Electroimpact Inc. "Quando você começa a obter os dados e começa a processar os números, você começa a encontrar muito ouro naquela montanha de dados e muitas vezes diamantes, coisas que realmente começam a aumentar sua produção."

Maduro para automação é o lado da qualidade da produção, disse Purvis.

A Electroimpact constrói monitoramento de qualidade em sistemas com tecnologia de inspeção que mede tudo o que suas máquinas AFP fazem enquanto constroem ou imprimem uma peça. A inspeção automática permite um processo que a empresa chama de "ajuste contínuo".

"O sistema está realmente se mantendo em calibração observando o que está fazendo, e se ajusta continuamente", disse ele. "Como uma máquina AFP ou impressora pode olhar para a saída com uma câmera ou sensores e dizer 'Ei, notei que você está começando a desviar um pouco, então vou compensar'."

Neste ponto, adotar a Indústria 4.0 é mais uma aspiração do que uma realização, em parte devido a implicações de cibersegurança e gerenciamento de dados, disse Mick Maher, presidente da firma de consultoria Maher Associates.

"Não acho que a indústria aeroespacial esteja adotando isso mais devagar que qualquer outra indústria", disse ele. "Acho que a Indústria 4.0 ainda é imatura demais para entregar as rédeas neste momento. Dito isso, a automação é um componente chave da Indústria 4.0. Mas assim como há partes de automação que são maduras, como colocação de fita, colocação de fibra, ainda há muito desenvolvimento necessário."

Grandes ganhos a serem obtidos

Randy Rounkles, que foi diretor técnico para aeroespacial na JR Automation, estava anteriormente na Spirit Aerosystems onde fez parte de uma equipe para implantar a Indústria 4.0 no início de 2019.

A meta de produção legada na Spirit, uma antiga fábrica da Boeing que foi desmembrada em 2005, era de 21 aeronaves por mês baseada em suas limitações físicas e tamanho, disse Rounkles. Antes de sair, a produção mensal da fábrica era de 57 aeronaves, ajudada por turnos adicionais, mais funcionários e maior automação, especificamente em fixação.

"Um dos (últimos) projetos antes de eu sair foi a coleta de dados da Indústria 4.0 em utilização de equipamentos e isso realmente mudou a cara daquela empresa em entender o que seus equipamentos estavam fazendo e do que eram capazes", disse Rounkles. "E teve um impacto significativo no investimento de capital para taxas futuras."

'Brincando com o digital'

Há pesquisas acontecendo em todo o mundo sobre a aplicação da Indústria 4.0 na manufatura aeroespacial, mas a adoção é lenta e a produção atual de aeronaves é mais analógica do que digital, disse Russell da AFRL.

"Empresas estão brincando com o digital para resolver pontos de dor específicos, como rastreamento de ativos, mas poucos fabricantes têm um verdadeiro ambiente Indústria 4.0 em toda a empresa", disse ele.

Em termos do estado atual dos componentes da Indústria 4.0, manufatura aditiva está sendo olhada para ferramentas e peças não estruturais, alguns processos são automatizados com o uso de robôs e, em relação a análises de dados, P&D foi feito para vincular dados de inspeção não destrutiva de volta aos modelos originais para entender o impacto de defeitos de manufatura no desempenho da peça, disse Russell.

No vídeo postado no YouTube, um braço robótico Kuka com um rolo de fim de braço alisa a camada de pré-impregnado sobre a camada anterior enquanto dois robôs com garras mantêm o material esticado em ambos os lados.

Quantos artistas de layup manual desejaram este equivalente de uma terceira mão demonstrado na gravação da célula robótica inteligente?

A célula, e toda a tecnologia por trás dela, é um projeto de demonstração de Satyandra K. Gupta, professor de engenharia mecânica e ciência da computação na Universidade do Sul da Califórnia, seus colegas e seus alunos. Eles fizeram a peça baseada em sugestões da Boeing, Lockheed Martin e United Technologies, com o objetivo de avaliar a viabilidade da automação. Resultados de testes em peças feitas com sua automação robótica foram enviados às três empresas, disse Gupta.

"Agora, o desafio chave que todos enfrentam no aeroespacial é a escassez de mão de obra", disse ele.

Com braços robóticos fazendo layup, um operador humano poderia supervisionar várias células de uma vez, explicou ele. Isso não só aumentaria a capacidade, mas poderia possivelmente eliminar a etapa de debulking no processo de fabricação da peça enquanto ainda garante qualidade.

Isso porque, para uma peça crítica hipotética feita de 100 camadas de pré-impregnado, a peça em processo tem que ser embalada e passar por aplicação de vácuo a cada três (ou cinco) camadas para garantir que não haja vazios, para um total de 33 debulkings.

Mas com robôs, a pressão da ferramenta robótica pode ser medida, diferente da mão humana, então a qualidade é assegurada, e o processo pode ir mais rápido.

Automatizar o processo não só o torna consistente e simplificado. Layup manual é um trabalho tedioso que é fisicamente exigente.

Trabalhando por dois anos e meio, Gupta e sua equipe integraram os braços robóticos com tooling de fim de braço, visão computacional, detecção de força, algoritmos de inteligência artificial, controladores avançados e uma interface homem-máquina. Suas peças de demonstração consistiram em até 15 camadas de ply de pré-impregnado de fibra de carbono epóxi padrão.

A parte mais desafiadora do trabalho deles foi integrar a visão computacional em tempo real.

"Você tem que fazer a câmera ver quais defeitos estão se formando", disse Gupta. "(Agora) se o robô vê uma ruga às vezes ele puxa a folha para um lado, depois para o outro..."

Quando a célula encontra um problema que não pode consertar, alerta um operador humano com um som de bip, e-mail ou texto.

Mas isso é só se necessário.

"Às vezes todo o processo roda sem nenhum problema", disse Gupta.

Olhe, Mãe, Sem Mãos! (Tooling de Fim de Braço Faz Layup Automatizado de Pré-Impregnado)

A adição da Rego-Fix aberta há três anos incorpora recursos avançados de conservação de energia e recursos naturais. Estes incluem um sistema especial de ventilador de troca de ar, aquecimento a pellets de madeira, múltiplas unidades de ar condicionado progressivas, um telhado "verde", e o uso de iluminação natural e controlada por sensores.

O sistema de ventilador de troca de ar troca o ar dentro do novo prédio sete vezes por hora. Ele extrai calor residual do chão de fábrica – calor gerado principalmente pelo grande equipamento de compressor de ar necessário para as máquinas-ferramenta da empresa. Durante os meses frios, que representam o resto do ano, o calor residual recuperado é então usado para aquecer o ar fresco que o sistema puxa de fora do prédio e circula para o chão de fábrica.

Além disso, água circulada em um sistema fechado ajuda a manter os compressores de ar do chão de fábrica frios durante a operação. No processo de resfriamento, a água fica quente, e esta água aquecida é então armazenada em um tanque de 1849 gal (7007 l). Esta água é usada para ajudar ainda mais a aquecer o prédio via um sistema de aquecimento construído nos pisos das áreas de escritório do prédio.

A instalação também incorpora um sistema de aquecimento de 390 kW que queima pellets de madeira em vez de combustíveis fósseis. Os pellets são um subproduto das indústrias de madeira e fabricação de móveis, que são comuns na área. O sistema consome quantidades muito pequenas de pellets porque opera como backup das outras fontes de aquecimento e é recorrido apenas quando as temperaturas externas são extremamente baixas.

Durante os verões, um sistema de ar condicionado progressivo de economia de energia, de três unidades, trabalhando junto com o sistema de piso e o sistema de troca de ar, mantém a adição fria. A unidade de troca de ar extrai calor do prédio, e água fria circula através do sistema de piso.

Se a temperatura dentro do prédio subir acima de um certo nível, uma das unidades no sistema de ar condicionado progressivo ligará para fazer backup do sistema de piso e da unidade de troca de ar. As unidades de ar condicionado são reguladas por rpm, então se os níveis de temperatura continuarem a subir, forçando a primeira unidade de ar condicionado a exceder seu limite, a segunda unidade de ar condicionado no sistema ativará. E por sua vez, se a segunda unidade atingir seu limite de rpm, a terceira unidade é ativada. Uma vez que o prédio comece a esfriar, as unidades individuais de ar condicionado desligarão em sequência reversa.

As paredes externas do prédio são completamente isoladas. Diferente de designs de telhado típicos, o que a Rego-Fix optou é bastante incomum com altas propriedades isolantes. Referido como telhado "verde" ou "plantado", é coberto com solo que tem grama real crescendo nele. Além de seu valor de isolamento, o telhado captura água da chuva que é então coletada em um tanque de 13.200 gal (50.000 l) e é usada para descarga de vasos sanitários nos banheiros do prédio.

Combinados, todos os recursos de aquecimento e resfriamento do prédio fornecem temperaturas ambientes estáveis e constantes dentro da área de manufatura. Isso tem um benefício crítico de manufatura. A temperatura constante ajuda a manter a precisão consistente da máquina-ferramenta para produzir os sistemas de fixação de ferramentas de alta precisão da empresa.

Para mais economia de energia, o novo prédio de manufatura apresenta muitas janelas grandes, triplas, isoladas que deixam entrar luz natural abundante. Além disso, as janelas são equipadas com persianas que abrem e fecham automaticamente. Isso é uma grande ajuda para manter o prédio fresco no verão. Enquanto as persianas bloqueiam muito calor, elas são perfuradas para deixar entrar luz.

Onde iluminação adicional é necessária, luzes LED de economia de energia, junto com ativação por controle de movimento, são usadas. Não há interruptores de parede no prédio, e as luzes acendem apenas quando as áreas estão ocupadas e desligam quando não estão.