Contando com os dados

A implementação de ferramentas digitais está transformando os processos de controle de qualidade nas operações de fabricação

Os gabaritos físicos agora estão sendo processados como modelos digitais e a Audi diz que está no caminho para representar um conceito que reside no mundo digital "virtual". A empresa agora está explorando o conceito de "gabarito digital mestre" em sua fábrica de Ingolstadt, na Baviera - usando efetivamente sensores ópticos manipulados roboticamente para reunir dados digitais detalhados sobre maquinários de veículos físicos e componentes para melhorar a qualidade e compactação das escalas de tempo de desenvolvimento.

"Estamos implementando soluções digitais há anos na Audi, uma vez que os valores medidos através de sensores táteis já são dados digitais", confirma Marcus Hoffmann, chefe de gabaritos mestres e tecnologias de medição. “O que é novo é a capacidade de adquirir dados para superfícies inteiras através de sensores ópticos em uma única medida. Isso significa que agora somos capazes de inspecionar superfícies grandes, mesmo as de veículos inteiros em um período de tempo muito curto." O desafio que se segue é o de "lidar com grandes quantidades de dados", mas as recompensas podem ser consideráveis porque "os dados podem ser acessados em todo o mundo", acrescenta.

Hoffmann confirma que várias células para aplicações exteriores e interiores estão agora em uso em Ingolstadt, sendo que a mais recente foi encomendada em 2017. Estas envolvem a criação de um "ambiente local de referência zero", utilizando "cubos de função exterior". Hoffmann diz que o último é usado para verificar os componentes externos em conformidade com os dados de projeto e "não só nos permitem verificar uma peça específica, mas também outras peças que estão em contato direto com elas."

Como explica Hoffmann, os componentes da produção em série de um veículo devem corresponder ao status de qualificação do gabarito mestre, mas este estado liberado agora é salvo como uma amostra de referência digital, o que elimina a necessidade de reter componentes físicos. "Os dados de componentes digitais para toda a superfície agora permitem a análise de componentes computadorizados sem ter que realizar medições adicionais com amostras de referência armazenadas ou status de calibração", afirma.

Peças sólidas e modelos digitais

Hoffmann também diz que a abordagem facilita o trabalho de desenvolvimento com peças fabricadas e modelos digitais de componentes. Um exemplo envolve a tampa do depósito de combustível do novo Audi RS 4 Avant. Em uma fase de desenvolvimento precoce, o componente de carroceria só estava disponível como registro de dados CAD e era fundido virtualmente com os dados de medição digitais do tanque fabricado. A análise interativa das curvas da superfície de revestimento, bem como as geometrias do perfil e do raio, permitiram que a equipe de garantia de qualidade identificasse a necessidade de correções muito mais rápido do que anteriormente e bem antes do início da montagem. "A correspondência de peças digitais e reais é comprovada na Audi", afirma ele de forma enfática.

O uso das técnicas para os interiores dos veículos seguiu a partir daquele para os exteriores, mas, Hoffmann diz: "O gabarito mestre interior funcional já foi implementado com sucesso nos A8 e A7 atuais." Antes disso, ele diz: "o gabarito existente era usado para avaliar e otimizar variáveis geométricas, como a montagem de componentes, bem como todos os outros aspectos de aparência, como a superfície, ajuste, ruído e propriedades hápticas. Mas agora, o gabarito mestre interior funcional nos permite explorar novas áreas de trabalho, como ajustes funcionais, análise de dispersão/vazamento de luz e afinação de interfaces gráficas de usuário."

Além disso, diz Hoffmann, os benefícios da abordagem também se estendem a fornecedores para os quais as operações são simplificadas e aceleradas significativamente. "Os desvios potenciais de peças podem ser analisados e corrigidos imediatamente", explica. "Eles são baseados em amostras de referência digitais e garantem uma disponibilidade rápida, bem como compatibilidade internacional e permutabilidade entre sites da Audi e fornecedores em todo o mundo". Além disso, está prevista uma exploração ainda mais intensiva da técnica. "Já estamos trabalhando no conceito de um gabarito mestre virtual", informa Hoffmann. "O novo desafio é como simular forças e efeitos materiais, mas quando alcançarmos esse objetivo, poderemos economizar mapeamentos de veículos físicos adicionais."

Nas estações de medição

Por outro lado, uma mistura de inspeção óptica off-line e on-line está sendo crucial para o controle de qualidade na fábrica da Volkswagen em Wrzesnia, na Polônia, onde a empresa atualmente está aumentando para produzir até 100.000 camionetes Crafter e MAN TGE por ano. As atividades relevantes ocorrem em um "laboratório de medição" de 5,400 metros quadrados, onde o equipamento inclui uma estação off-line e cinco estações em linha de medição óptica robótica - uma configuração que permite uma medição precisa de mais ou menos +/- 0,5 mm e também a capacidade de preparar e comprovar programas para instalações in-line sem interrupção das operações de fabricação.

Todas as estações utilizam os sensores Zeiss AIMax e o mesmo tipo de robô de seis eixos usado na planta para operações de soldagem. Assim, uma padronização de controle de qualidade e equipamentos de produção é empregada para ajudar a suportar um alto grau de variabilidade do produto com a VW visando, em última instância, dobrar as atuais 29 variantes do Crafter produzidas na planta de 2,2 m2 para cerca de 60 variantes de base.

Este ponto foi enfatizado pelo Dr. Kai-Udo Modrich, chefe de soluções de carrocerias na Carl Zeiss Industrial Metrology. Ele confirma que as peças do veículo envolvidas compreendem a parte inferior da carroceria, as paredes laterais esquerda e direita e a carroceria principal aberta e fechada. Existe, ele afirma "uma medida de 100% de todos os recursos definidos para o processo dentro do [tempo de ciclo]". Ele acrescenta que existem centenas de atributos de peças específicas que são medidos dessa maneira. Eles incluem "pontos importantes de montagem e fixação, por exemplo, para motores, airbags, amortecedores, assentos e sistema de escape". Normalmente, ele continua, "as posições individuais de tais recursos" são reconhecidas, mas características funcionais também são levadas em consideração usando vários recursos medidos para calcular simetrias, distâncias, comprimentos e deslocamentos para garantir a funcionalidade geral e a conformidade da montagem.

As comunicações automatizadas também fornecem um importante fator habilitador. Para auxiliar todo o processo a funcionar sem problemas, um chip RFID foi colocado no carro que transporta peças na linha de produção para transmitir a cada estação na linha a informação de identificação necessária para iniciar o programa de medição correto. Portanto, assim que o carro está em posição, o sistema já sabe qual subprograma deve ser executado para controlar os quatro robôs de medição sem intervenção humana.

Dr. Modrich confirma que todas as "falhas estocásticas" (falhas de produção devido a fatores como ferramentas quebradas) serão imediatamente reconhecidas pelo sistema de medição em linha. "Por meio do controle estatístico do processo, as derivações na produção podem ser identificadas e corrigidas antes que ocorram impactos maiores", afirma. "Além disso, as medidas de manutenção preventiva podem ser iniciadas antes de uma linha ter que ser interrompida devido a uma ferramenta de produção defeituosa. Em outras palavras, haverá 100% de controle no processo que permitirá a correção imediata dos processos de fabricação, pois haverão dados desses processos."

Esta abordagem também prevê a flexibilidade necessária para lidar com uma característica particular de uma planta muito nova - a de realizar a produção em volume de algumas peças, adicionando continuamente outras peças às capacidades globais do sistema. "Uma vez que este é um veículo comercial com muitas variações diferentes, por exemplo, já existem mais de 30 painéis laterais diferentes, isso significa que muitos programas que utilizam robôs diferentes para alcançar os diferentes pontos de medição serão necessários", afirma Dr. Modrich.

Como tal, Dr. Modrich continua: "recomendamos aos nossos clientes que criem uma estação off-line que esteja em conformidade exatamente com o design físico das outras cinco estações. Os programas para novos tipos de veículos são preparados na estação off-line e apenas requerem um pouco de revezamento antes de estarem prontos para serem usados nas linhas de produção. A economia de tempo total para cada modelo é tremenda." Os próprios sensores AIMax fornecem três princípios de medição em uma única unidade - triangulação multi-linha, processamento de imagem em escala de cinza e análise de sombras - algo que lhes permite medir características geométricas complexas, como furos especiais, furos, roscas de parafusos, porcas de solda, fendas e descarga. Além disso, os tempos de medição típicos, incluindo o movimento do robô, são de 1,8-3,0 segundos por posição de medição.

A própria Volkswagen também está convencida de que a mistura de tecnologia de sensores de última geração e comunicações integradas está sendo proveitoso. "Desta forma, sabemos imediatamente onde precisamos modificar nossos processos", confirma Werner Steinert, chefe da análise/metrologia PWQ-3/1 QS na planta. Ele diz que o monitor em cada estação mostra para as operadoras de forma muito clara quanto às características específicas para exceder a tolerância. "Começamos a prestar muita atenção quando a tolerância de utilização atinge 75%", explica.

Na verdade, os engenheiros do departamento de Garantia da Qualidade geralmente podem identificar a causa dos desvios de tolerância simplesmente examinando fotografias tiradas pela câmera no sensor AIMax. "Isso torna mais fácil para nós determinar se há algo como cola nos furos, o que elimina a necessidade de retrabalhar a peça mais tarde", diz Steinert.

Compostos encontram uma cura

Enquanto isso, o Plasan Carbon Composites sediado em Michigan explorou uma mistura de tecnologias de sensores e software analítico em rede para ajudar a otimizar os aspectos de controle de qualidade de um processo de produção inovador. A empresa produziu componentes de fibra de carbono como capô, telhados e painéis laterais usando autoclaves que poderiam levar até 90 minutos para "curar" as peças compostas com as altas temperaturas e pressões necessárias. Mas a empresa implementou recentemente uma nova metodologia usando prensas de pressão de primeira qualidade que usam tecnologia proprietária para aquecer diretamente a superfície do molde da ferramenta para uma transferência de calor mais rápida para a fibra de carbono. Acredita-se que isto reduziu os tempos de cura para componentes Classe A para menos de 20 minutos.

A Volkswagen está convencida de que a sua mistura de tecnologia de sensores de última geração e comunicações integradas está a pagar

No entanto, esse processo introduziu uma série de variáveis novas e complexas, que a empresa não tinha meios de capturar e registrar e que levaram a níveis inicialmente inaceitáveis de defeitos de sucata e qualidade. Assim, a Plasan procurou implementar uma solução de software que poderia registrar e relatar os parâmetros do processo para cada peça que atravessava as prensas. O objetivo era impulsionar a queda de cerca de 10% para menos de 4%, potencialmente economizando milhões de dólares de poupança anualmente. Os sistemas de software envolvidos foram o FactoryTalk Historian Site Edition (SE) e o software de inteligência de fabricação corporativa FactoryTalk VantagePoint da Rockwell Automation.

Danny McKinnon, engenheiro de controles da Plasan, diz que o novo processo é muito intensivo em termos de dados. "O que torna a nossa pressão tão rápida é como controlamos a temperatura, o vácuo e a pressão - essa é a parte complexa do processo", afirma. "Nós também gravamos informações do operador, número da ferramenta, número de prensa e qualquer outra coisa que seja parte do processo. Descobrimos que são as pequenas coisas que causam os problemas mais qualitativos, coisas que a maioria nunca se importaria em registrar."

Como tal, McKinnon continua, "todos os parâmetros são gravados em intervalos de um segundo 24 horas por dia." Os dados são então "discriminados", observando o número de sequência prensa, de modo que, quando a prensa estiver executando um ciclo, o número de sequência será entre certos números, com números fora desse intervalo indicando o tempo de inatividade da máquina. "Ao executar um relatório com o VantagePoint, você retira os dados com base na frequência do tempo do número de série", ele explica. "Assim você pode abrir um relatório com base na hora do ciclo, dando-lhe uma representação gráfica."

As próprias máquinas e o software Historian usam EtherNet/IP como um protocolo de rede. "Para tornar a nossa implementação do histórico bem sucedida, tivemos que atualizar nossa infraestrutura de rede completa de instalações e máquinas para poder conectar tudo", confirma McKinnon. "Isso nos dá a capacidade de analisar os dados do menor sensor em tempo real em qualquer lugar do mundo com uma conexão à internet e o protocolo de segurança correto. Meu objetivo é tornar Plasan uma "fábrica inteligente" - estamos a meio caminho ".

"As pressões foram um grande desafio e nos propusemos fazer algo que ninguém mais fez antes", conclui McKinnon."Mas nós fizemos isso no que imaginamos originalmente. Nós serializamos mais de 196.000 peças apenas nessas impressoras e podemos voltar e analisar todos os dados do processo. Agora, a maioria dos nossos processos secundários estão conectados ao Historiador, ajudando-nos a reduzir a sucata nessas áreas também."