Mitos e realidades do processo de manufatura ‘lights-out’

Enquanto as empresas de manufatura imaginam como será a “fábrica do futuro”, a produção autônoma dentro de uma fábrica “lights-out” parece se expandir em todo o espectro industrial.

A manufatura lights-out significa fábricas totalmente automatizadas, que utilizam nenhuma ou pouca intervenção humana, podendo desta forma “operar no escuro”. Este conceito é como um unicórnio - uma ideia maravilhosa, mas que provavelmente não se tornará realidade tão cedo. Contudo, as tecnologias digitais e de automação necessárias para tornar essa ideia uma realidade estão começando a amadurecer, e empresas de todos os setores estão sendo desafiadas a criar produtos melhores, mais baratos, mais sustentáveis e com mais rapidez, apesar dos problemas relacionados à cadeia de suprimentos e à força de trabalho reduzida.

Uma fábrica lights-out poderia ajudar a melhorar não só a sustentabilidade do produto como a sua própria produtividade.

Fábricas lights-out ainda vão se materializar

A produção lights-out envolve uma expectativa ambiciosa. Tradicionalmente, este tipo de fábrica fornece produção em massa simples em um layout de linha de produção fixa. Como os produtos estão cada vez mais complexos e a personalização/configuração em massa aumenta o número de variantes do produto, a implementação de uma fábrica totalmente lights-out parece ser ainda mais mítica e fora de alcance.

Embora as tecnologias de automação e manufatura digital possam ajudar a transformar o mito em realidade, as mudanças precisam ser incrementais para colher os benefícios (principalmente em infraestruturas brownfield onde grandes investimentos de capital já estão em andamento).

Fábricas quase lights-out são mais economicamente viáveis

De acordo com um estudo do Gartner, até 2025, 60% dos fabricantes terão mais de dois processos totalmente lights-out em pelo menos uma das suas unidades.

A manufatura lights-out não precisa ser uma proposta de “tudo ou nada”. Em vez disso, os fabricantes podem identificar processos ou áreas específicas dentro de uma unidade onde a produção autônoma é viável e valiosa. Essa implementação incremental da fábrica lights-out, também conhecida como fábrica lights-sparse (pouca luz), permite que os fabricantes equilibrem o retorno sobre o investimento (ROI) feito na automação sem o investimento normalmente necessário para a transição completa para uma fábrica totalmente lights-out.

Software essencial para a fábrica lights-sparse

O desenvolvimento e a maturidade de várias máquinas e robôs automatizados, além do software de gerenciamento de operações de manufatura (MOM) abrangente e comprovado, são essenciais para criar essas unidades de manufatura lights-out. Novos avanços no software de MOM permitem a orquestração perfeita de sistemas de produção autônoma usando dois recursos principais.

O primeiro é a capacidade de combinar automaticamente os requisitos das operações com as capacidades dos equipamentos. O software deve identificar automaticamente os recursos de manufatura disponíveis quando um novo produto for introduzido e durante um imprevisto na fábrica, como uma falha de equipamento. O segundo é a interação baseada em eventos entre a execução da manufatura, o fornecimento de materiais, a cadeia de suprimentos e a programação, garantindo não apenas a execução perfeita do processo de produção, como também a otimização contínua e as medidas automatizadas no caso de interrupções.

Além desses recursos principais, o software de MOM também fornece uma nova experiência ao usuário. Afinal de contas, mesmo na fábrica lights-out, as pessoas ainda terão um papel importante no futuro da manufatura. Essa nova experiência do usuário contextualiza as informações de diferentes fontes para permitir a tomada de decisão remota, que pode incluir ajustes na programação e priorização de pedidos e uso de estratégias alternativas de fornecedores.

Nova abordagem de planejamento e engenharia de máquinas

A manufatura lights-out envolve uma relação mais flexível entre produto, processo e recursos do que a manufatura tradicional.

Com isso, os engenheiros de manufatura precisam trabalhar de forma mais abstrata do que antes e a maneira como eles definem as restrições será fundamental para aproveitar todo o potencial de um sistema de produção autônoma. Desta forma, aumenta a importância do uso de simulação no início do estágio de engenharia para ajudar na geração automatizada e validação de cenários essenciais para uma implementação bem-sucedida. A adoção dessa nova abordagem permite um nível adicional de flexibilidade e liberdade para que o software de orquestração tome suas próprias decisões e alcance o nível de autonomia necessário para que a fábrica se torne lights-out.

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Planejamento estratégico da força de trabalho

Enquanto os fabricantes começam a implementar os conceitos de fábrica lights-out, as habilidades exigidas da força de trabalho mudarão em três aspectos. Primeiro, além do know-how da área e manufatura, os engenheiros de planejamento terão que adquirir o conhecimento necessário para modelar as restrições e dependências abstratas e usar ferramentas de simulação para validação em seu trabalho diário.

Segundo, os operadores da fábrica vão precisar de conhecimento sobre as mais recentes tecnologias de automação para operar máquinas autônomas com segurança e ampliar suas capacidades. Os fornecedores de máquinas e soluções também terão que fazer a transição de sistemas especialistas que exigem conhecimento especializado para interfaces amigáveis, permitindo a rápida adaptação e extensão da capacidade de uma máquina. Isso incluirá, por exemplo, a adaptação de robôs, mapas de rotas de veículos guiados automaticamente (AGV), atualização de materiais necessários para novos produtos e muito mais. O uso dos mais recentes conceitos de programação de baixo código e de TI nas diferentes tarefas de engenharia de automação pode permitir que a força de trabalho mais ampla contribua para a transição.

Terceiro, o enriquecimento do trabalho e o aprendizado contínuo vão ajudar os fabricantes a permanecerem competitivos e lucrativos na economia global, pois agora enfrentam problemas como força de trabalho envelhecida e escassez de trabalhadores qualificados.

Caso de uso: teste dos conceitos de produção lights-out em Fürth

Como fornecedora de software e empresa de manufatura, a Siemens implementou recentemente um processo eletrônico autônomo construído em uma caixa equipado com laser, teste PXI, estação de montagem de caixa e estação final. Todo o transporte de material no layout modular da fábrica foi realizado usando AGVs. Cada estação tinha suas próprias docking stations para carregar e descarregar os transportadores de caixas. As tarefas de carregamento da máquina e de montagem foram realizadas usando robôs universais com efetores finais personalizados.

Cada célula autônoma foi equipada com a mais recente tecnologia de CLP para realizar as funções definidas do equipamento, incluindo manuseio de materiais de entrada e saída e sincronização com o sistema de gerenciamento da frota de AGVs, além da execução segura de uma função específica, como “Montar a variante XYZ do produto”. A orquestração de todos os recursos e do transporte foi realizada pelo sistema Siemens Opcenter MES, incluindo um algoritmo de programação avançado para otimização online. Os principais aprendizados do teste em Fürth foram:

• A experiência da força de trabalho da fábrica é fundamental e deve ser captada. É importante incluir as operações da fábrica desde o início para digitalizar o conhecimento “tradicional”, incluindo informações como restrições específicas, melhores práticas, típicos cenários de falha, etc;
• Tudo começa com os processos de transparência do material e logística dentro da fábrica, que exigem 100% de transparência no gerenciamento de materiais; além disso, o comissionamento e a preparação nas caixas são fundamentais;
• O transporte automatizado dos materiais, incluindo carregamento e descarregamento, tende a ser mais lento; portanto, a programação avançada otimizada pode compensar isso e colocar o sistema em um nível lucrativo;
• Um sistema autônomo requer uma interface de máquina abstrata baseada em uma máquina de estado de capacidades, por isso é importante envolver os fornecedores de máquinas no início do processo para garantir uma interface uniforme do ambiente da fábrica;
• Com base nos aprendizados da fábrica em Fürth, o portfólio Xcelerator da Siemens já implementou recursos importantes para ajudar os clientes em suas jornadas.

Benefícios da produção autônoma

A maioria dos fabricantes busca a produção autônoma para aumentar a produtividade e reduzir os custos de mão de obra, apesar do risco associado de encontrar profissionais capacitados no momento e no local certo para acompanhar as mudanças nas demandas do mercado.

Os conceitos de produção autônoma podem resolver esse tipo de desafio, mas este não é seu único valor. A capacidade de combinar e validar automaticamente cada processo da produção de produtos novos e atuais - incluindo requisitos de processos - para os equipamentos disponíveis pode ajudar os fabricantes a aumentar importantes indicadores dos negócios, como lançamento no mercado em menos tempo, sustentabilidade e resiliência maior. Também permite a capacidade de produzir produtos em diferentes sistemas de produção e instalações para ajudar a produção local e sustentável, além de constituir uma forma de compensar as interrupções na cadeia de suprimentos.

Já estão disponíveis os conceitos de produção autônoma para permitir fábricas lights-out. O portfólio Xcelerator da Siemens já implementou recursos importantes para ajudar os clientes em sua jornada. As empresas que já começaram a arriscar adotando esses conceitos antecipadamente estão iniciando com sucesso o processo com sua própria força de trabalho, parceiros de solução e fornecedores para construir hoje as fábricas do futuro.