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Produção de compósitos: como automatizar sem sacrificar alto desempenho de componentes?

14 setembro 2021

Artigo de Jhonny Rodrigues, investigador, e Luís Pina, investigador coordenador, ambos dedicados à Indústria 4.0 no INEGI.


Os materiais compósitos são constituídos por uma matriz e um reforço como, por exemplo, polímeros e fibras de carbono. São estas fibras que conferem aos compósitos propriedades estruturais excecionais, mas é também o que os torna difíceis de produzir, pois são construídos camada a camada.

A colocação da fibra na superfície do material da matriz é hoje um processo manual ou semiautomático. Este processo envolve duas etapas: primeiro, planear a direção e a orientação da colocação da fibra com base em métodos de análise para a tensão principal e as solicitações de uma estrutura, e, segundo, selecionar o processo de formação. Embora a colocação manual da fibra se possa adaptar a uma variedade de superfícies complexas, este método compromete a distribuição em massa, e o custo e ciclo produtivo de um componente 1, 2, 3.

Dado o uso crescente de materiais compósitos em diversos setores, é imperativo aumentar a velocidade e potenciar a fácil repetibilidade da sua produção. A automação é, sem dúvida, a resposta para otimizar os processos produtivos, mas as complexidades inerentes ao fabrico de compósitos ainda são desafiantes.

Complexidade dos processos dificulta implementação de indústria 4.0

O advento da indústria 4.0 traduziu-se num aumento da complexidade de produtos e sistemas produtivos, convergindo diferentes fenómenos num mesmo processo, e criando um elevado nível de não-linearidade. Tal exige técnicas matemáticas avançadas para resolver problemas, e não só algoritmos mais eficientes, mas também bons equipamentos de simulação e comunicação 1.

Contudo é necessário conhecer bem os materiais que vão ser utilizados, assim como os parâmetros de processo que poderão ser controlados ao longo das fases produtivas.

As fibras secas ou impregnadas, por exemplo, são uma espécie de corpo flexível e o processo da sua colocação tem requisitos especiais, como corte, pressão, solidificação e precisão. O planeamento do percurso e os processos de colocação podem, por isso, ser complexos e mutáveis. Um erro pode resultar numa redução de qualidade, e comprometer a função e o desempenho estrutural do componente 1, 3.

Sistemas ciber-físicos são tecnologia chave para automatizar

Automatizar a produção de compósitos sem sacrificar a qualidade e desempenho é, portanto, um desafio considerável. Mas quais as repostas possíveis?

O primeiro passo passa por integrar sistemas de computação e de controlo nas máquinas, de forma a que estas comuniquem entre si. Para tal, é necessário desenvolver modelos físicos do processo e simular cenários, a partir dos dados dos sensores - em suma, desenvolver sistemas ciber-físicos (CPS) capazes de controlar o processo.

O uso de máquinas e sensores em rede, porém, gera um elevado volume de dados. Dados esses que, apesar de exigirem um processamento trabalhoso, serão a matéria prima dos sistemas inteligentes, capazes de dar uma resposta mais precisa às diferentes solicitações que ocorrem durante a produção e em simultâneo, permitindo economizar tempo e energia. Esta informação deve ser gerida adequadamente, através de um ambiente de big data, dando origem a fábricas inteligentes.

Considerando o conceito de Internet of Things (IoT) e a nova Industrial Internet of Things (IIoT), o protocolo de comunicação utilizado nos sistemas ciber-físicos, as comunicações podem não se limitar à rede da fábrica. Todos os dados, ou alguns deles, devem ser disponibilizados numa nuvem, dando espaço para o desenvolvimento de metodologias de Enterprise Resources Planning (ERP), Manufacturing Execution Systems (MES) entre outras, criando sistemas de produção inteligentes acessíveis em qualquer altura e lugar 1.

Abordagem personalizada é aposta do INEGI

Este caminho também se percorre no INEGI, cujas fábricas experimentais contam com diversos equipamentos de produção de compósitos. A autonomia e eficiência é uma prioridade, e por isso realizamos continuadamente upgrades para nos aproximarmos da plena autonomia, sem sacrificar qualidade.

Um exemplo deste esforço é a recente otimização de uma máquina de consolidação in situ, para fibras de carbono unidirecionais pré-impregnadas com poliamida 6.

Neste equipamento foram otimizados três parâmetros de operação da máquina em função da temperatura de aquecimento desejada do material. Para tal foi usada a Open Platform Communication Unified Architecture, uma norma de troca de dados (IEC 62541) amplamente utilizada na comunicação de equipamentos industriais, aplicando o conceito de transferência segura de dados e paralelamente uma interconexão multiplataforma. Isto permite que diferentes equipamentos possam trocar informações e criar processos customizados.

Ao realizar o modelo e a simulação do processo de aquecimento antes, durante e após o mecanismo de prensagem, torna-se possível alimentar um algoritmo de otimização a fim de calcular os parâmetros de trabalho ideais (como a posição relativa do aquecimento em relação ao material e velocidade do processo) tendo em consideração as temperaturas da fita, para evitar superaquecimento e melhorar o produto final.

Com a simulação digital é possível antever diferentes cenários de trabalho e, ao aprender durante o processo de consolidação, melhorar o resultado final, sem a necessidade de reprogramar total ou parcialmente o processo 3.

Com esta estratégia, estamos a lançar as bases para otimizar os processos produtivos de compósitos, transferindo este conhecimento para a indústria. Abrimos caminho a um fabrico mais inteligente e autónomo, para produzir compósitos para setores com requisitos exigentes, de forma económica e competitiva.

 



Referências

1  Zhang, L., Wang, X., Pei, J., & Zhou, Y. (2020). Review of automated fibre placement and its prospects for advanced composites. Journal of Materials Science, 55(17), 7121-7155.

2  Sacco, C., Radwan, A. B., Anderson, A., Harik, R., & Gregory, E. (2020). Machine learning in composites manufacturing: A case study of Automated Fiber Placement inspection. Composite Structures, 250, 112514.

3 Rodrigues, J., Silva, F., Santos, J., Tavares, J. M. R., & Pina, L. (2019). Automated in situ consolidation process for pre-impregnated carbon fibers: a cyber-physical approach. Materiales Compuestos, 3(3), 80-89. 

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