Sistema Automático de Identificação e Transporte de
Amostras de Compostos de Borracha
Daniel Fernando Rocha Amaral
Dissertação de Mestrado
Orientadores na FEUP: Professor José Luís Soares Esteves
Professor Paulo Manuel Salgado Tavares de Castro Orientador na Empresa:
Engenheiro José Bruno Pinto Nunes
Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Junho 2017
Resumo
Este projeto foi desenvolvido com base numa solicitação industrial de melhoria da identificação e transporte das amostras de compostos de borracha para o instrumento de análise (reómetro).
Primeiramente, menciona-se o enquadramento do projeto, os seus objetivos e o método seguido para a sua realização.
Seguidamente, abordam-se quais os constituintes de um pneu e o enquadramento do processo de misturação, etapa do ciclo produtivo onde foi realizado o projeto. Apresenta-se qual o processo de misturação vigente, e com mais detalhe o processo de avaliação dos compostos de borracha por reometria.
É feita uma abordagem à Indústria 4.0, onde se enquadra este projeto. Neste seguimento é feita uma revisão de várias tecnologias de suporte, incluindo códigos impressos e RFID, assim como é tratado o tema da automação na indústria.
Consideram-se, de seguida, ferramentas de desenvolvimento e análise de risco de projetos, nomeadamente simulações virtuais, análise SWOT, FTA e FMEA.
Descreve-se, com detalhe, a situação atual e o projeto a desenvolver.
Estudam-se diversos sistemas de identificação das amostras de compostos de borracha. Foi analisado o espaço disponível no chão de fábrica para implementação do projeto e apresentam-se várias soluções de transporte das amostras, entre as quais existe a introdução de sistemas de visão artificial e diferentes modelos de robots.
Após esta apresentação, são relatados os testes experimentais feitos às diferentes soluções, assim como as alterações no chão de fábrica para a implementação do projeto.
É pormenorizado o projeto da bancada de suporte do reómetro e do robot, detalhando as simulações realizadas no Solidworks Simulation, pelo métodos dos elementos finitos (MEF). Aborda-se um sistema de marcação das paletes rejeitadas.
Posto isto, é definida a gestão do funcionamento dos sistemas automáticos. Apresentou-se um novo conceito de buffer intermédio para linhas de misturação com maior capacidade.
Finalmente, as diferentes soluções são comparadas, discutidas e conclui-se que com alterações devidas, incluindo as soluções que foram testadas com sucesso, é possível obter um sistema totalmente automatizado, o que leva a uma maior eficiência e melhor fiabilidade do processo de análise dos compostos. Apresentam-se a FTA e alusões aos procedimentos FMEA efetuados durante o projeto.
Automatic System for Identification and Transport of Rubber
Compound Samples
Abstract
This project was motivated by an industrial need to improve the identification and transport of rubber compound samples to the analysis instrument (rheometer).
Firstly, the project framework, its objectives and the method followed are mentioned.
After, the tire components are stated and the context of the mixing process within the productive cycle is explained. The current mixing process and the process of rubber compounds rheometry evaluation are described.
An elucidation of Industry 4.0 paradigm is made, which is the framework context of this project. Following a review of various identification technologies is made, including RFID and printed codes. Subsequent of this topic, the role of automation in the industry is clarified. Project development and risk analysis tools, such as virtual simulations, SWOT analysis, FTA and FMEA, are then considered.
The current situation and the project to be developed are described in detail.
Several systems to identify rubber compound samples are considered. The available space on the factory floor for the project implementation was calculated, and several samples transport solutions are presented, among them the introduction of artificial vision systems and different models of robots.
After this presentation, different solutions experimental tests are reported, as well as the changes in the factory floor for the project implementation.
The design of the rheometer and robot support stand is described, explaining its specific requirements and the FEM (Finite Element Method) simulations performed in Solidworks
Simulation. A system for marking the rejected pallets was put forward.
After setting those questions, the automatic systems operation management is defined. A new intermediate buffer concept was presented for implementation in higher capacity mixing lines. Finally, the different solutions are compared, discussed and it is concluded that a new system, including solutions that have been successfully tested, allows to obtain a fully automated system, which leads to greater efficiency and better reliability of the process of rubber compounds rheometric analysis. The FTA and the FMEA procedures of the project are presented.
Agradecimentos
Grande parte das informações contidas nesta dissertação e obtidas durante o período de estágio, só foram possíveis graças ao grande profissionalismo dos professores, orientadores e colaboradores da empresa.
Aproveitando esta secção, gostaria de agradecer sobretudo às seguintes pessoas, não tendo a pretensão de excluir alguém:
- Aos orientadores da dissertação na faculdade, Professor José Luís Soares Esteves e Professor Paulo Manuel Salgado Tavares de Castro, por toda a partilha de conhecimentos e pela ajuda disponibilizada durante a realização desta dissertação de mestrado.
- Ao Engenheiro Bruno Nunes, meu orientador da Continental Mabor, pela disponibilidade demonstrada, orientação e partilha de contactos que permitiram a realização deste trabalho. - Ao Engenheiro Pedro Fumega, pelo esclarecimento de dúvidas relativas ao funcionamento da empresa assim como pela sua disponibilidade em ajudar.
- À Engenheira Ana Santos e Engenheiro Jorge Silva, pelas informações prestadas sobre o processo produtivo.
- Aos Engenheiros Rui Barbosa, Carla Maciel, Paulo Rodrigues e Miguel Oliveira, responsáveis, respetivamente, pela qualidade de processos, pelo laboratório, pela segurança, pela manutenção industrial e ambiente.
- Aos técnicos de engenharia José Gomes, Ricardo Silva e Vítor Moreira, e ao Anastácio Nunes, pela disponibilidade durante a implementação dos diversos sistemas para testes.
- À minha família por todo o apoio dado, não só durante este semestre, mas em todo o percurso académico tornando possível este momento.
- A todos os meus colegas e amigos que ao longo do curso influenciaram de uma forma positiva a minha formação pessoal e académica.
E para finalizar um agradecimento à Continental Mabor pela oportunidade concedida de realização do projeto curricular na empresa, assim como a bolsa proporcionada pela mesma.
Índice de Conteúdos
1. Introdução ... 1
1.1. Enquadramento do projeto e motivação ... 1
1.2. O enquadramento do projeto na empresa... 3
1.3. Objetivos do projeto ... 3
1.4. Método seguido no projeto ... 4
1.5. Estrutura da dissertação ... 7
2. Constituintes de um pneu ... 9
3. Enquadramento do processo de misturação no ciclo produtivo ... 11
4. Processo vigente de misturação ... 13
4.1. Matérias-Primas ... 14 4.1.1. Borrachas ... 14 4.1.2. Enchedores ... 14 4.1.3. Agente de vulcanização ... 14 4.1.4. Ajudantes de processamento ... 15 4.1.5. Antidegradantes ... 15 4.1.6. Ativadores ... 15 4.1.7. Aceleradores ... 15 4.2. Processo de misturação ... 15
4.3. Identificação e aplicação dos compostos ... 20
4.4. Teste de reometria ... 20
5. Indústria 4.0 ... 25
5.1. Tecnologias de suporte ... 27
5.1.1. Códigos Impressos ... 27
5.1.2. Radio Frequency Identification (RFID) ... 29
5.1.3. Análise comparativa entre tecnologias ... 31
5.2. Automação na indústria... 31
5.2.1. Robots Colaborativos... 33
6. Ferramentas de desenvolvimento e análise de risco de projetos ... 35
6.1. Simulações virtuais de apoio ao projeto ... 35
6.2. Análise SWOT - Strengths, Weaknesses, Opportunities and Threats ... 37
6.2.1. Análise SWOT para o projeto a desenvolver ... 38
6.3. FTA - Fault Tree Analysis ... 39
6.4. FMEA - Failure Modes and Effects Analysis ... 39
7. Descrição da situação atual e do projeto a desenvolver ... 43
8. Sistema de marcação e identificação das amostras ... 47
8.1. Marcação mecânica ... 48
8.2. Introdução de etiquetas RFID nas amostras ... 49
8.2.1. Testes de influência nas avaliações por reometria com a introdução das etiquetas RFID nas amostras ... 50
8.3. Impressão de códigos 2D nas amostras ... 53
8.3.1. Com jato de tinta ... 53
8.3.2. Através de marcação com tecnologia LASER ... 56
8.3.1. Testes de influência nas avaliações por reometria com a marcação dos códigos data matrix nas amostras... 58
8.4. Impressão de códigos alfanuméricos nas amostras ... 59
8.4.1. Com jato de tinta ... 59
8.4.2. Através de marcação com tecnologia LASER ... 59
10.Estudo dos layouts 2D do andar inferior ... 63
11.Soluções de transporte das amostras para o reómetro ... 67
11.1.Solução de sistema personalizado com componentes standard ... 67
11.1.1. Componentes Festo utilizados no projeto ... 71
11.1.2. Seleção do transportador modular ... 71
11.2.Soluções com sistemas robóticos ... 74
11.2.1. Epson LS3 SCARA ... 74
11.2.2. Braço robótico UR3 ... 77
11.2.1. Robot ABB IRB 14000 YuMi ... 78
11.2.2. Braço robótico KR3 R540 ... 82
12.Testes experimentais ... 85
12.1.Alterações na fábrica para testes experimentais ... 85
12.2.Teste experimental com o robot ABB IRB 14000 YuMi ... 89
12.3.Teste experimental com o braço robótico KR 3 R540 ... 92
12.4.Teste experimental com o braço robótico UR3 ... 96
13.Projeto da bancada de suporte do reómetro e do robot ... 99
13.1.Requisitos ... 99
13.2.Simulações estruturais ... 99
13.2.1. Introdução de reforços ... 102
14.Sistema de marcação das paletes rejeitadas ... 109
15.Gestão do funcionamento dos sistemas automáticos ... 111
15.1.Fluxogramas para o funcionamento do sistema automático com o robot IRB 14000 YuMi (Solução 1) ... 111
15.2.Fluxogramas para o funcionamento do sistema automático com o braço robótico KR3 R540 (Solução 2) ... 113
15.3.Fluxogramas para o funcionamento do sistema automático com o braço robótico UR3 (Solução 3) ... 115
15.4.Bases de dados e comunicações internas do sistema ... 116
15.5.Sistema de tracking das amostras ... 118
16.Novo conceito de buffer intermédio ... 119
17.Comparação entre soluções e discussão ... 121
17.1.Comparação entre tecnologias de identificação ... 121
17.1.1. Tecnologias de marcação de códigos... 122
17.1.2. Tipo de código ... 122
17.2.Comparação entre tecnologias de transporte ... 122
17.2.1. Manuseadores ... 122
17.2.2. Sistema de visão artificial ... 123
17.2.3. Soluções de robótica ... 123
17.3.Especificações dos subsistemas a incorporar no sistema ... 124
17.4.Discussão das soluções ... 125
17.4.1. Solução final a implementar ... 125
17.5.Viabilidade de aplicação noutras linhas ... 125
18.Análise de risco do projeto ... 127
18.1.FTA final do projeto ... 128
18.2.Alusões às FMEA realizadas sobre o projeto ... 129
19.Conclusões e perspetivas de trabalho futuro ... 131
Referências ... 133
ANEXO A: Resultados obtidos para as quatro amostras do primeiro grupo dos testes de influência nas avaliações por reometria com a marcação dos códigos data matrix nas amostras ... 137
ANEXO B: Resultados obtidos para as quatro amostras do segundo grupo dos testes de influência nas avaliações por reometria com a marcação dos códigos data matrix nas amostras ... 139 ANEXO C: Resultados obtidos para as quatro amostras do terceiro grupo dos testes de
influência nas avaliações por reometria com a marcação dos códigos data matrix nas amostras ... 141 ANEXO D: Desenho de definição da bancada de suporte ... 143
Siglas
AIDC - Automatic Identification and Data Capture ASHS - Automatic Sample Handling System CAD - Computer Aided Design
FMEA - Failure Mode and Effects Analysis
FMECA - Failure Mode, Effects and Criticality Analysis FIFO - First in first out
FEM - Finite Element Method FTA - Fault Tree Analysis HBS - High Bay Storage
IBM - International Business Machines ISO - International Standards Organization IoT - Internet of things
LASER - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LIMS - Laboratory information management system
LoA - Level of Automation MAC - Media Access Control MMS - Mixing Management System OEM - Original Equipment Manufacturer RFID - Radio Frequency Identification RTLS - Real Time Location System
SCARA - Selective Compliance Assembly Robot Arm SWOT - Strengths, Weaknesses, Opportunities and Threats
Termos específicos
Batch-off - Zona de arrefecimento e secagem de compostos de borracha numa linha de
misturação;
Buffer - Aparato que tem em vista absorver flutuações de cadência nos processos, através da
acumulação de peças;
Índice de Figuras
Figura 1 - Fábrica da Continental Mabor (Neves, 2017) ... 1 Figura 2 - Agenda programática de execução de atividades ... 4 Figura 3 - Ilustração de uma abordagem geradora de conceito (concept-generating approach) (Bellgran e Säfsten, 2010) adaptado ... 4 Figura 4 - Constituintes de um pneu (Pereira, 2012) ... 9 Figura 5 - Fases do ciclo produtivo existente (Como se faz um pneu, 2012) ... 11 Figura 6 - Linha de misturação completa (Datenblatt - Technical Data HF Mixing Group, 2017) ... 13 Figura 7 - Processo de misturação ... 14 Figura 8 - Misturador singular (Datenblatt - Technical Data HF Mixing Group, 2017) adaptado ... 16 Figura 9 - Misturador Tandem (Datenblatt - Technical Data HF Mixing Group, 2017) adaptado ... 17 Figura 10 - (a) Zona da extrusora; (b) Zona da calandra (Datenblatt - Technical Data HF Mixing Group, 2017) ... 17 Figura 11 - Moinho de homogeneização (Datenblatt - Technical Data HF Mixing Group, 2017) ... 18 Figura 12 - Esquema descritivo do funcionamento do batch-off (Prodicon Batch-off Systems, 2003) adaptado ... 18 Figura 13 - Esquema do transporte para a mezzanine superior (Prodicon Batch-off Systems, 2003) adaptado ... 19 Figura 14 - Representação do processo de empilhamento e amostragem (Prodicon Batch-off Systems, 2003) adaptado ... 19 Figura 15 - Maquinaria do strainer (Arquivo Continental Mabor, 2015) ... 20 Figura 16 - Reómetro MDR2000 (MDR2000 Brochure, 2017) ... 21 Figura 17 - (a) Reómetro MDR2000, com acessório acoplado (Operator's Manual Appendix - MDR2000, 1998); (b) Sistema de alimentação com buffer circular ... 21 Figura 18 - (a) Imagem explicativa do método de embalagem das amostras para teste de reometria; (b) Imagem explicativa da saída das amostras vulcanizadas ... 22 Figura 19 - Representação esquemática do processo de avaliação por reometria (MDR2000 Brochure, 2017) adaptado... 22 Figura 20 - Detalhe da matriz inferior oscilante (MDR2000 Brochure, 2017) ... 22 Figura 21 - Monitor que relata as aprovações/rejeições e gráficos de reometria obtidos (situação não real, apenas para efeitos explicativos) ... 23 Figura 22 - Curvas típicas de reometria, obtidas no software implementado, de compostos aprovados (situação não real, testes realizados apenas para efeitos explicativos) ... 23 Figura 23 - Curvas típicas de reometria, obtidas no software implementado, de compostos retidos (situação não real, testes realizados apenas para efeitos explicativos) ... 24
Figura 24 - Exemplo de amostras para avaliação três cargas, em que existe uma amostra
reprovada ... 24
Figura 25 - Organização de sistemas no modelo Indústria 4.0 (Drath e Horch, 2014) adaptado ... 26
Figura 26 - Interação entre as fábricas inteligentes e os clientes em conformidade com a Indústria 4.0 (Shrouf et al, 2014) adaptado ... 26
Figura 27 - Exemplos de códigos de barras (Kato et al, 2010) ... 27
Figura 28 - Representação de um código data matrix para um número com 20 dígitos ... 28
Figura 29 - Processo de identificação de um código data matrix (Dita et al, 2011b) adaptado28 Figura 30 - Constituintes básicos de um código quick response (Kato et al, 2010) ... 29
Figura 31 - Etiqueta RFID ativa (Leirvag, 2011) ... 30
Figura 32 - Etiqueta RFID passiva (George, 2014) ... 30
Figura 33 - Etiqueta RFID semi-passiva (Long et al, 2012) ... 30
Figura 34 - Organização em matriz dos níveis de automação (Fast-Berglund e Stahre, 2013) 32 Figura 35 - (a) Braço robótico UR3 (Universal Robots Catalog, 2017); (b) Robot ABB IRB 14000 YuMi (ABB, 2017); (c) Braço robótico LBR iiwa 7 R800 (KUKA, 2017) ... 34
Figura 36 - Ferramentas de desenvolvimento metódico de sistemas produtivos (Bokrantz 2015) adaptado ... 35
Figura 37 - Articulações entre as engenharias (Fässberg, 2015) ... 36
Figura 38 - Ilustração da importância da simulação nas fases iniciais do projeto (Baumann e Tillman, 2004) adaptado ... 36
Figura 39 - Exemplo genérico de uma fault tree com o top event, T, e os basic events A, B e C (Tinga, 2013) ... 39
Figura 40 - Mecanismo de aplicação do FMEA (Bahrami, Bazzaz e Sajjadi 2012) adaptado 40 Figura 41 - (a) Modelação em software de desenho 3D da amostra; (b) Amostra (à direita) comparada com uma moeda de 2 euros ... 43
Figura 42 - (a) Sistema de recolha de amostras na linha 11; (b) Detalhe do punção de corte . 44 Figura 43 - (a) Zona de transferência das amostras entre o final do tapete rolante e a esteira transportadora; (b) Final da esteira transportadora e início do tubo ... 44
Figura 44 - Sistema de receção das amostras no transportador modular inferior... 45
Figura 45 - Lateral do reómetro, zona do buffer circular (prato) ... 45
Figura 46 - (a) (b) Sistema de marcação mecânico de amostras; (c) Detalhe do carimbo de perfuração rotativo ... 48
Figura 47 - Amostras com marcação mecânica, automática, de um dígito ... 48
Figura 48 - Amostras com etiquetas RFID revestidas com resina ... 49
Figura 49 - (a) Exemplo de etiqueta RFID autocolante; (b) Amostra com etiqueta RFID autocolante ... 49
Figura 50 - Sistema de escrita e leitura RFID; RFID writer/reader (à esquerda); Módulo de conexões para transferência de informação (à direita) ... 49
Figura 52 - Análises de reometria das amostras com etiquetas RFID realizadas em laboratório
... 50
Figura 53 - Gráficos de reometria das seis amostras analisadas ... 51
Figura 54 - Amostras após análise de reometria envoltas em película plástica ... 52
Figura 55 - (a) Representação de um código quick response; (b) Ilustração da amostra marcada com o código quick response; (c) Protótipo de amostra marcada com o código quick response ... 53
Figura 56 - Exemplos de códigos data matrix, a cor vermelha (a), a cor azul (b) e a cor amarela (c) ... 53
Figura 57 - Sistema de jato de tinta de pequenos carateres CIJ 1710 ... 54
Figura 58 - Amostras marcadas com códigos data matrix com três cores distintas ... 54
Figura 59 - Amostra marcada com código data matrix de cor amarela ... 55
Figura 60 - Inclusão do sistema da marcação à saída do tapete rolante ... 55
Figura 61 - Impressora CIJ Ax350i da Domino ... 56
Figura 62 - (a) Marcador LASER D320i (Domino, 2017); (b) Cabeçal de marcação a LASER modelo D320i ... 56
Figura 63 - Amostras marcadas com códigos data matrix através de tecnologia LASER ... 57
Figura 64 - Amostra marcada com tecnologia LASER sob iluminação adequada para leitura 57 Figura 65 - Instante da marcação a LASER ... 57
Figura 66 - Amostras testadas com etiqueta RFID colada, com marcação LASER, com marcação jato de tinta de cor amarela e sem marcação (respetivamente, da esquerda para a direita) ... 58
Figura 67 - Amostra marcada a LASER (a) e amostra marcada a jato de tinta amarela (b) na zona de análise do reómetro, envoltas em película plástica ... 58
Figura 68 - Amostras marcadas com 3 carateres com tecnologia de jato de tinta ... 59
Figura 69 - Marcações a LASER de códigos alfanuméricos nas amostras ... 59
Figura 70 - Layout atual da zona de receção das amostras da linha 11, vista (a) ... 63
Figura 71 - Layout atual da zona de receção das amostras da linha 11, vista (b) ... 63
Figura 72 - Dimensões da zona de receção das amostras da linha 11 ... 64
Figura 73 - Proposta de layout conceptual com a introdução de um sistema robótico ... 64
Figura 74 - Proposta de layout conceptual com rotação em 90º do transportador modular ... 65
Figura 75 - Modelações em software de desenho 3D que ilustram a alteração da posição dos rolos de embalagem ... 67
Figura 76 - Sistema compacto automático de manuseio das amostras ... 68
Figura 77 - Sistema compacto automático de manuseio das amostras. (a) Detalhe lateral do sistema; (b) Detalhe frontal do sistema, componente de pick-and-place suprimido; (c) Subsistema de retenção das amostras fechado; (d) Subsistema de retenção das amostras aberto ... 68
Figura 78 - Vista lateral do sistema ... 69
Figura 80 - Solução pneumática Festo ... 70
Figura 81 - Integração da solução no conjunto existente ... 70
Figura 82 - Layout com a incorporação o armário compacto... 70
Figura 83 - Passo e altura dos componentes modulares da esteira Intralox da série 1100 flat top (Intralox, 2017) ... 71
Figura 84 - Divisórias Intralox com base flat top (Intralox, 2017) ... 71
Figura 85 - (a) - Câmara Cognex In-Sight 5000 (Cognex, 2017); (b) - câmara SICK 2D Vision Inspector VSPM-6F2413 (SICK, 2016) ... 74
Figura 86 - Epson LS3 SCARA (Epson, 2016) ... 75
Figura 87 - Diferentes vistas do sistema de transporte incorporando um Epson LS3 SCARA 76 Figura 88 - Braço robótico UR3 (Universal Robots Catalog, 2017) ... 77
Figura 89 - Diferentes vistas do sistema de transporte incorporando um braço robótico UR3 78 Figura 90 - Robot ABB IRB 14000 YuMi ... 79
Figura 91 - Diferentes configurações dos manuseadores ... 79
Figura 92 - Diferentes vistas do projeto compacto de identificação e transporte de amostras integrando um robot ABB IRB 14000 YuMi ... 80
Figura 93 - Braço robótico KR3 R540 em operações de pick-and-place (KUKA, 2017) ... 82
Figura 94 - (a) Layout, incluindo um braço robótico KR 3 R540, para o transporte das amostras desde o transportador modular para o buffer circular do reómetro; (b) Sistema projetado para o manuseamento das amostras a incluir no braço robótico; (c) Estrutura idealizada para rotação das amostras; (d) Detalhe da estrutura idealizada para rotação das amostras ... 83
Figura 95 - (a) Braço robótico LBR iiwa 7 R800 (KUKA, 2017); (b) Braço robótico LBR iiwa 7 R800 numa demonstração, em Hannover, em 2013 (Bélanger-Barrette, 2015) ... 84
Figura 96 - (a) Rotação do transportador existente em 90º; (b) Alterações das ligações do motor e dos sensores do transportador inferior do batch-off ... 85
Figura 97 - Alteração da posição das barreiras de proteção ... 85
Figura 98 - (a) (b) (d) Troca de lado do motor do transportador modular; (c) Soldadura do perfil de guiamento ... 86
Figura 99 - Layout utilizado para testes na linha 11... 87
Figura 100 - Inserção de um tubo de ar comprimido no interior do perfil de guiamento ... 87
Figura 101 - (a) Mesa colocada na zona de teste; (b) Corte da mesa para as dimensões requeridas... 88
Figura 102 - (a) Construção de sistema de simulação do atravancamento e altura do acesso ao prato (buffer) do reómetro; (b) Sistema implementado ... 88
Figura 103 - Modelação com base e calços para simular as dimensões usadas nos testes experimentais ... 89
Figura 104 - Testes de localização da amostra no transportador ... 89
Figura 105 - Testes com diferentes tipos de iluminação ... 90
Figura 107 - Leitura dos códigos data matrix pela câmara incorporada no braço do robot ... 90 Figura 108 - Câmara do braço esquerdo do robot observando quais os sítios livres para receber amostras ... 91 Figura 109 - Colocação da amostra no buffer circular do reómetro ... 91 Figura 110 - Volte-face das amostras ... 92 Figura 111 - Modelação para simular os testes experimentais a realizar com o braço robótico KR3 R540 ... 92 Figura 112 - (a) Sistema de visão artificial externo para controlo do braço robótico; (b) Furação e roscagem da mesa para suporte do sistema de visão artificial ... 93 Figura 113 - (a) Sistema de manuseamento das amostras implementado; (b) Introdução de um gerador de vácuo, por efeito venturi, na zona de entradas do braço robótico ... 93 Figura 114 - Definição das coordenadas relativas do braço robótico... 94 Figura 115 - Deteção da posição das amostras no transportador modular e leitura dos códigos impressos na mesmas ... 94 Figura 116 - Braço robótico pegando na amostra que foi buscar ao transportador modular ... 95 Figura 117 - Procedimento de rotação das amostras em 180º ... 95 Figura 118 - Colocação da amostra no buffer circular do reómetro ... 95 Figura 119 - Modelação para simular os testes experimentais a realizar com o braço robótico UR3 ... 96 Figura 120 - Montagem do sistema de testes com o braço robótico UR3 ... 96 Figura 121 - Programação do modo de funcionamento do braço robótico ... 96 Figura 122 - (a) Pega na amostra no transportador; (b) Colocação a amostra no buffer matricial; (c) Seleção da amostra no buffer matricial intermédio ... 97 Figura 123 - (a) Transporte da amostra para o buffer circular; (b) Alinhamento da amostra na posição correta; (c) Colocação da amostra na posição correta ... 97 Figura 124 - Aviso de segurança após colisão ... 98 Figura 125 - Modelação da bancada standard, cargas e condições fronteira ... 100 Figura 126 - Resultados da simulação dos deslocamentos, nas bancadas standard, com as cargas produzidas pelo reómetro e robot ABB IRB 14000 YuMi ... 101 Figura 127 - Resultados da simulação da tensão equivalente de von Mises, nas bancadas standard, com as cargas produzidas pelo reómetro e robot ABB IRB 14000 YuMi ... 102 Figura 128 - Bancada estrutural de dois perfis de reforço diagonais ... 103 Figura 129 - Malha de elementos finitos do modelo com reforço... 103 Figura 130 - Resultados da simulação dos deslocamentos, nas bancadas reforçadas, com as cargas produzidas pelo reómetro e robot ABB IRB 14000 YuMi ... 104 Figura 131 - Resultados da simulação da tensão equivalente de von Mises, nas bancadas reforçadas, com as cargas produzidas pelo reómetro e robot ABB IRB 14000 YuMi... 105 Figura 132 - Desenho de definição da bancada final a fabricar ... 106 Figura 133 - Bancada de suporte do reómetro e robot com todos os requisitos satisfeitos .... 107 Figura 134 - (a) Bancada na fase de fabrico; (b) Bancada entregue finalizada ... 107
Figura 135 - Detalhe dos reforços interiores diagonais ... 107
Figura 136 - Exemplo de marcação de composto numa palete ... 109
Figura 137 - Marcador Macrojet 2 ... 109
Figura 138 - Conceito do sistema de marcação das paletes rejeitadas ... 110
Figura 139 - (a) Configuração utilizada nos testes; (b) Leitura realizada pelo sistema de visão; (c) Leitura do código de barras com um obstáculo na sua frente ... 110
Figura 140 - Fluxogramas para o funcionamento do sistema automático com o robot IRB 14000 YuMi ... 112
Figura 141 - Fluxogramas para o funcionamento do sistema automático com o braço robótico KR3 R540 ... 114
Figura 142 - Fluxogramas para o funcionamento do sistema automático com o braço robótico UR3 ... 116
Figura 143 - Descrição das comunicações internas do sistema ... 117
Figura 144 - (a) Buffer intermédio com dois andares para colocação de amostras; (b) Exemplo de sistema de painel deslizante linear de acionamento elétrico (Electro-Sensors, 2012)... 119
Figura 145 - FTA final de nível superior ... 128
Figura 146 - Ramificações da FTA final do projeto ... 129
Índice de Tabelas
Tabela 1 - Descrição dos principais marcos de evolução ... 5Tabela 2 - Apresentação dos níveis de automação segundo Frohm (2008) ... 32
Tabela 3 - Código a marcar para identificação de uma amostra exemplo ... 47
Tabela 4 - Tabela de resultados obtidos para as seis amostras analisadas ... 51
Tabela 5 - Lista dos componentes Festo utilizados ... 71
Tabela 6 - Caraterísticas específicas do Epson LS3 SCARA ... 75
Tabela 7 - Caraterísticas específicas do braço robótico UR3 (Universal Robots Catalog, 2017) ... 77
Tabela 8 - Caraterísticas do robot ABB IRB 14000 YuMi ... 81
Tabela 9 - Caraterísticas específicas de cada braço do robot ABB IRB 14000 YuMi ... 81
Tabela 10 - Caraterísticas específicas do manuseador do robot ABB IRB 14000 YuMi ... 81
Tabela 11 - Caraterísticas específicas do braço robótico KR3 R540 ... 82
Tabela 12 - Descrição do sistema de tracking das amostras ... 118
1. Introdução
Neste capítulo faz-se uma apresentação do tema e do enquadramento do trabalho.
1.1. Enquadramento do projeto e motivação
No âmbito do último ano do Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica compete a cada estudante a missão de realizar uma dissertação. No contexto do programa de mérito e distinção ContiStudentAward, foi atribuido o prémio ContiBest para a realização desta dissertação em ambiente empresarial na empresa Continental Mabor - Indústria de Pneus S.A. A Continental Mabor - Indústria de Pneus S.A, localizada em Lousado (Vila Nova de Famalicão), é uma empresa especializada na produção de pneus, tanto para OEM (Original
Equipment Manufacturer) como para mercado de substituição. Uma visão do exterior da
fábrica, de abril de 2017 é apresentada na Figura 1.
Figura 1 - Fábrica da Continental Mabor (Neves, 2017)
A nível global, a Continental emprega cerca de 220 mil pessoas em 56 países e faturou 40,5 mil milhões de euros em 2016 (Neves, 2017).
Atualmente, a Continental Mabor é a quarta maior exportadora portuguesa, empregando 1.900 pessoas e fechou 2016 com uma faturação de 830,9 milhões de euros, exercício em que obteve lucros de 225,8 milhões de euros. Praticamente todas as vendas, rondando os 98%, da
Continental Mabor corresponderam a exportações para um total de 64 países (Neves, 2017).
Em 1990 a produção média diária era de 5.000 pneus, sendo que em 1996 foram atingidos os 21.000 pneus/dia. A capacidade de produção média atual é de 58.000 pneus/dia, apresentando-se, assim, como uma das fábricas do grupo Continental com melhores índices de produtividade.
Para além do destaque na produtividade foi vencedora pela quinta vez consecutiva do Quality
Award, em 2016, prémio que elege a melhor fábrica do grupo, assim como foi eleita a fábrica
do grupo mais eficiente em termos energéticos. Atualmente decorrem vários projetos de expansão, que irão permitir não só um alargamento da capacidade instalada, mas também de ampliação da gama de produtos fabricados.
A Continental Mabor tem programas de melhoria contínua e de uma gestão orientada para um crescimento sustentável e rentável. O projeto a realizar está relacionado com a identificação e transporte de amostras recolhidas dos compostos de borracha. O projeto proposto é pioneiro e de grande importância para a empresa, uma vez que a análise destas amostras é fulcral para o processo produtivo. Atualmente, a identificação e o transporte das amostras para o instrumento de análise, ainda é um procedimento manual e não se coaduna com o resto do processo de misturação e de avaliação dos compostos, dessa forma, a evolução para o sistema automático surge no sentido positivo de melhoria contínua.
1.2. O enquadramento do projeto na empresa
A empresa está dividida em onze direções, entre as quais a direção de engenharia. Esta está dividida em dez departamentos, sendo que o projeto está integrado no departamento de engenharia 1, que é responsável pelos equipamentos de misturação das matérias primas e fabrico de compostos master (intermédios) e finais. O processo de misturação apresenta um elevado nível de automação, à exceção da secção de identificação, transporte e análise das amostras à saída do batch-off. Desta feita, uma automatização da secção referida é essencial na medida em que permite uma melhor rentabilização dos recursos disponíveis (utilização do reómetro), assim como otimiza o processo de rastreabilidade das amostras e do controlo dos testes (suprime a influência do operador). As principais restrições à implementação deste projeto prendem-se pelo tamanho reduzido das amostras e eventuais diferenças nos seus formatos, que podem dificultar a introdução no buffer (revólver) do reómetro. Para efeitos de rastreabilidade é também necessário fazer uma identificação/marcação da amostra, e aqui mais uma vez o tamanho reduzido das amostras, assim como as eventuais flutuações dimensionais e de aparência (incluindo as manchas de soluto antiaderente) podem dificultar este trabalho.
1.3. Objetivos do projeto
O objetivo principal do projeto prende-se com o desenvolvimento de um sistema de identificação e transporte automático de amostras de composto de borracha desde o ponto de recolha no batch-off até ao buffer do reómetro, garantido o FIFO e o tracking da amostra. Sistema a ser implementado em linhas de misturação de borracha com diferentes configurações estruturais.
Os seguintes pontos detalham os objetivos do projeto:
• Identificação das amostras, de composto de borracha, circulares com diâmetro de aproximadamente 25 mm e altura variável de 6 a 12 mm;
• Projeto de um sistema de transporte entre o ponto de recolha da amostra no
batch-off e o buffer de amostras do reómetro, considerando as configurações dos
equipamentos existentes;
• Desenvolvimento de um sistema de tracking das amostras ao longo do percurso; • Introdução de um sistema identificação/marcação das paletes que são rejeitadas
1.4. Método seguido no projeto
O planeamento do projeto, executado antes do início do mesmo, está discriminado na agenda programática da Figura 2.
Figura 2 - Agenda programática de execução de atividades
Embora exista um planeamento inicial, para se chegar a uma solução seguiu-se uma abordagem iterativa. O estudo efetuado durante este estágio para realização do projeto foi uma abordagem geradora de conceito (concept-generating approach), como representada na Figura 3.
Figura 3 - Ilustração de uma abordagem geradora de conceito (concept-generating approach) (Bellgran e Säfsten, 2010) adaptado
Devido a este facto, o cronograma das tarefas realizadas foi efetivamente diferente. Tendo sido feitas diversas alterações iterativamente, a par com o contacto com fornecedores para estudo das soluções disponíveis. Como se pode notar na agenda programática inicial, o período de encomendas a fornecedores foi marcado para o mais cedo possível, devido à restrição do tempo de entrega dos componentes. No entanto, como se discute na secção 6.1 e se denota na Figura 38, a implementação precoce de projetos implica reduções da possibilidade de fazer alterações no projeto assim como acarreta custos mais elevados quando as mesmas têm de ser feitas. Por este motivo, o período de simulação e testes experimentais foi mais alargado do que o que estava definido na agenda inicial. Na Tabela 1 são descritos os principais marcos relacionados com o estudo e desenvolvimento do projeto.
Tabela 1 - Descrição dos principais marcos de evolução
Semana Principais marcos de evolução
1 Estudo do processo produtivo
Contacto aos fornecedores do reómetro (Alpha Technologies) Estudo do sistema de controlo do reómetro
Contacto com representantes da Festo Estudo do armário do reómetro
Modelação do reómetro e do transportador modular atual Estudo do processo de recolha de amostras nos compostos finais
Análise dos robots presentes na fábrica e contacto com o Gabinete de Inovação e Projetos de Manufatura
Modelação e desenho da bancada de suporte standard
2 Reunião com fornecedores de sistemas de marcação (Videojet) e envio de amostras para
teste
Estudo do espaço disponível para implementação do projeto Análise de sistemas de centragem das amostras
Projeto de sistema de transporte com componentes Festo
3 Início dos contactos a fornecedores de soluções robóticas
Contacto fornecedores de peças standard do reómetro (Norgren) Estudo do trajeto das amostras atual
4 Análise de tempos dos processos
Início da pesquisa acerca tecnologia RFID
Reunião com fornecedores de manuseadores, pinças e ventosas (Norgren e Festo) Estudo do atravancamento de acesso ao reómetro
5 Continuação do estudo acerca de etiquetas RFID
Finalização do projeto de sistema de transporte com componentes Festo Reunião com fornecedores do reómetro (Alpha Technologies)
Apresentação do projeto de sistema de transporte com componentes Festo Marcação de reuniões com fornecedores de robots
6 Reunião com representante da Universal Robots
Reunião com representante da ABB Robotics
Projeto de sistema de transporte com robot da EPSON Projeto de sistema de transporte com braço robótico UR3 Reunião com representantes da Festo
Apresentação resultados das marcações data matrix (Videojet) Reunião com representante KUKA Robotics
Modelação do sistema de marcação
Estudo especificações RFID
Introdução do sistema no MMS Server
Início do estudo das comunicações dentro do sistema
7 Reunião acerca das bancadas de suporte do reómetro
Atualização das bancadas atendendo ao nivelamento Estudo de ergonomia bancadas
Desenho de definição das novas bancadas e envio para fabricante Definição dos códigos identificativos das amostras
Envio de amostras para teste na Videojet Preparação dos testes experimentais
Fluxogramas de procedimento para o funcionamento dos sistemas robóticos Discussão da comunicação entre o sistema projetado e o HBS (High Bay Storage) Teste experimental com o robot ABB IRB 14000 YuMi
Visita a MTI (Manutenção Técnica Industrial) para acompanhamento do fabrico das novas bancadas de suporte
8 Reunião com fornecedores de sistemas de marcação - Marque TDI
9 Visita à Marque TDI - estudo de formas alternativas de marcação
11 Teste experimental com o braço robótico KR 3 R540
12 Teste experimental com o braço robótico UR3
Estudo de viabilidade da aplicação nas outras linhas
Definição das comunicações do sistema, do procedimento e das novas bases de dados Sistema de marcação das paletes
Modificação do buffer matricial intermédio
15 Reunião interna de apresentação do projeto
Estudo de falhas do sistema implementação de medidas corretivas
18 Análise dos sistemas de visão da Festo
Escrita do MES (Machine Equipment Standard) do projeto, detalhando as especificações de cada componente que integra o sistema.
De notar que a Tabela 1 não faz um levantamento exaustivo de tudo o que foi realizado durante o período de estágio e desenvolvimento do projeto em causa, é apenas uma apresentação temporal de pontos relevantes que permitiram o progresso significativo do projeto ou alteraram o rumo do mesmo.
1.5. Estrutura da dissertação
No capítulo 2 são apresentados os constituintes de um pneu. No capítulo 3 é feito um enquadramento do processo de misturação no ciclo produtivo. No capítulo 4 é apresentado o processo vigente de misturação na Continental Mabor. No capítulo 5 é feita uma abordagem à indústria 4.0, onde se enquadra este projeto. Neste seguimento é feita uma revisão de várias tecnologias de suporte, incluindo códigos impressos e RFID, assim como é tratado o tema da automação na indústria. No capítulo 6 são apresentadas ferramentas de desenvolvimento e análise de risco de projetos, nomeadamente, simulações virtuais, análise SWOT, FTA e FMEA. No capítulo 7 descreve-se, com detalhe, a situação atual e o projeto a desenvolver. No capítulo 8 está descrito o estudo de diversas formas de marcação e identificação das amostras. No capítulo 9 são avaliados os tempos das operações e a necessidade de buffers intermédios no sistema a desenvolver. No capítulo 10 é apresentado o layout atual da linha 11, assim como possibilidades de implementação do projeto no espaço disponível no chão de fábrica. No capítulo 11 são detalhadas soluções de transporte das amostras possíveis de implementar, incluindo a avaliação das vantagens e desvantagens de cada um dos sistemas. No capítulo 12 estão relatados os testes experimentais realizados, com alguns dos sistemas de transporte e identificação das amostras. No capítulo 13 é apresentado o projeto da bancada estrutural, assim como a definição dos requisitos específicos a cumprir. No capítulo 14 aborda-se a introdução de um sistema de marcação física das paletes rejeitadas. No capítulo 15 são detalhadas as diferentes formas de funcionamento dos sistemas automáticos descritos anteriormente. No capítulo 16 é apresentado um novo conceito de buffer intermédio para linhas com maior capacidade. No capítulo 17 é feita uma comparação entre as diferentes soluções apresentadas e é feita uma discussão dos resultados, atendendo às especificações. No capítulo 18 é apresentada a FTA e as considerações acerca das FMEA do projeto. No capítulo 19 são apresentadas as conclusões e as perspetivas de trabalho futuro relacionadas com o projeto.
2. Constituintes de um pneu
O pneu é um sistema constituído por componentes têxteis, metálicos e principalmente de borracha. Cada fabricante segue configurações próprias de fabrico de pneus, e mesmo dentro de cada fabricante existem diversos modelos, ajustados a diferentes fins, nomeadamente ao tipo de veículo, velocidades máximas e cargas a suportar. Na Figura 4 estão ilustrados os diferentes constituintes de um pneu.
Figura 4 - Constituintes de um pneu (Pereira, 2012)
Os diferentes constituintes em borracha, como deverão ter propriedades específicas distintas, são fabricados com compostos de borracha diferentes. Sendo que esses compostos são produzidos na misturação.
3. Enquadramento do processo de misturação no ciclo produtivo
O ciclo produtivo na Continental Mabor é constituído essencialmente por cinco fases, descritas na Figura 5. Na fase de misturação são misturadas as diversas matérias-primas para fabrico de compostos de borracha, sendo o início do processo produtivo. O processo de misturação é descrito em detalhe no capítulo 4. Segue-se a fase de preparação onde os materiais são processados, não só os compostos de borracha, mas também materiais metálicos e têxteis. Nesta fase são gerados os componentes de construção com as medidas necessárias com por exemplo pisos, paredes laterias, telas têxteis/metálicas e talões. Na fase de construção os componentes são ligados formando pneus “em verde”, ou seja, pneus não vulcanizados. Seguidamente os pneus “em verde” são lubrificados no seu interior e encaminhados para a fase de vulcanização, onde os pneus são vulcanizados a altas temperaturas, sendo que os moldes onde estão inseridos são responsáveis pelo seu aspeto final. Finalmente, os pneus são sujeitos a uma inspeção final, onde são feitas verificações visuais assim como ensaios para garantir que os requisitos são todos cumpridos.4. Processo vigente de misturação
A misturação é a área onde se inicia o ciclo produtivo. Na Figura 6 está representada uma linha de misturação, na qual se pode observar os silos de armazenamento das matérias-primas, assim como toda a maquinaria usada neste processo. A misturação é um processo através do qual, por etapas sucessivas, se produzem compostos a partir dos ingredientes base ou de compostos intermédios, tendo em atenção alguns parâmetros de controlo do processo. Na Figura 7 encontra-se um esquema representativo do processo de misturação. Existe uma diferenciação entre os compostos quanto à sua posição no ciclo produtivo. Os compostos
master são compostos intermédios da fase de produção do composto final. Os compostos
finais, depois de aprovados, são os compostos que ficam disponíveis para serem usados nas seguintes fases produtivas. De referir que um composto terá a sua composição variada dependendo da função a que se destina posteriormente na produção/construção do pneu.
Figura 7 - Processo de misturação 4.1. Matérias-Primas
4.1.1. Borrachas
A borracha é o componente base do composto e pode ser borracha natural, proveniente do latex da árvore Seringueira, ou sintética proveniente de derivados de petróleo, de entre as quais é possível citar a borracha de Estireno-Butadieno, a borracha de Polibutadieno e a borracha de Butil.
4.1.2. Enchedores
Os enchedores reforçam as propriedades do composto contribuindo para o seu enquadramento nos parâmetros desejados. Algumas das características melhoradas pelo uso de enchedores:
• Dureza;
• Resistência ao desgaste; • Resistência à abrasão; • Resistência ao rasgo.
Os principais tipos de enchedores são o negro de fumo, a sílica e o carbonato de cálcio.
4.1.3. Agente de vulcanização
O agente de vulcanização é o responsável pela vulcanização, entendida como a reacção que estabelece ligações permanentes entre as cadeias de borracha. Na indústria de pneus é o Enxofre. Permite a ligação entre as várias cadeias da borracha, conferindo-lhe uma estrutura tridimensional definitiva. Com a vulcanização a borracha passa de um estado plástico para um estado elástico.
4.1.4. Ajudantes de processamento
Os ajudantes de processamento modificam a borracha durante a etapa de mistura e promovem melhorias nos posteriores processos de extrusão, calandragem e vulcanização. Estes têm efeitos benéficos no processo de mistura, permitindo incorporar os outros ingredientes mais eficazmente, em especial os enchedores, e com menor consumo de energia. Os ajudantes de processamento reduzem a fricção durante os processos de extrusão e calandragem, diminuindo a possibilidade de pré-vulcanização do composto, e para além disso melhoram o comportamento do composto (fluxo de borracha no molde) durante a vulcanização. Neste grupo constam óleos amaciadores, plastificadores e promotores de adesividade.
4.1.5. Antidegradantes
Os antidegradantes reduzem a deterioração do composto causado por exposição ao ar, luz, calor e radiação. Consoante a proteção que se pretende conferir, podem ser usados diferentes tipos de antioxidantes e de ceras.
4.1.6. Ativadores
Os ativadores combinados com os aceleradores favorecem a reacção de vulcanização e contribuem para obtenção das propriedades desejadas. Os ativadores poderão ser óxido de zinco, ácido esteárico ou estearato de zinco.
4.1.7. Aceleradores
Os aceleradores são usados para controlar a taxa de vulcanização e, portanto, melhorar as propriedades do composto após vulcanização. Os sistemas de vulcanização podem conter um único acelerador ou, frequentemente, uma combinação de dois ou mais aceleradores.
4.2. Processo de misturação
O processo de misturação é feito em duas fases, uma para produzir compostos master e outra para compostos finais.
A misturação começa com a entrada das matérias primas pela porta de alimentação. A abertura e fecho da porta são acionados por um cilindro hidráulico, podendo funcionar em modo automático ou manual. No corpo do misturador, encontram-se os rotores, sendo que a câmara tem a temperatura controlada internamente através de um conjunto de orifícios por onde circula água em circuito fechado. A temperatura é ajustada automaticamente para um valor predefinido. Existem dois rotores que funcionam a velocidades iguais em direções opostas no sentido do centro, com velocidades de trabalho variáveis. Cada rotor é refrigerado internamente através de um canal interno por onde circula água, a partir do centro do rotor, em circuito fechado.
O martelo, componente responsável por fomentar a entrada das matérias no misturador, é acionado por um sistema hidráulico composto por quatro cilindros, podendo funcionar em dois modos: com pressão predefinida ou sem pressão (isto é, apenas com o seu próprio peso). É refrigerado internamente através de água em circuito fechado.
A saída do composto após a misturação é feita pela porta de descarga, passando para a fase seguinte do processo de produção. A abertura e fecho são acionados por um atuador
hidráulico, podendo funcionar em modo automático ou manual. A porta é refrigerada internamente através de água que funciona em circuito fechado.
Existem sondas de temperatura, usando sensores Pt100, estando localizadas na parte superior, de cada um dos lados do corpo do misturador. O controlo da temperatura da carga é feito pela sonda que no momento registe a temperatura mais alta.
No piso superior existe um transportador-balança, constituído por uma passadeira rolante, que para além do transporte (com velocidade variável), faz também a pesagem dos materiais a serem introduzidos no misturador pela porta de alimentação. A misturação pode ser feita numa máquina como a representada na Figura 8, ou pode ser feita num misturador Tandem (constituído por dois andares de misturação), representado na Figura 9.
Figura 9 - Misturador Tandem (Datenblatt - Technical Data HF Mixing Group, 2017) adaptado
A extrusora, representada na Figura 10 (a), é acoplada na saída do misturador, recolhendo a carga através de uma conduta, homogeneizando-a e enviando-a posteriormente para a calandra, representada na Figura 10 (b). É constituída por dois parafusos funcionando em direções opostas, ambas no sentido do centro e com velocidade variável dependendo da quantidade de borracha existente. Os parafusos e o corpo da extrusora encontram-se a uma temperatura pré-estabelecida e regulada por água em circuito fechado.
A calandra recebe a borracha da extrusora, perfilando-a numa folha contínua de espessura regulável e largura pré-definida. É constituída por um sistema de dois rolos sobrepostos funcionado a uma velocidade variável, dependendo diretamente da velocidade da extrusora. Os rolos da calandra são refrigerados por água em circuito fechado.
(a) (b)
A seguir à calandra poderá existir um moinho de homogeneização, descrito na Figura 11, que recolhe a carga, permitindo a sua homogeneização final. O seu uso é opcional, por exemplo nas novas linhas de misturação, nomeadamente nas linhas 10 e 11 não existe este elemento. O moinho de homogeneização é constituído por dois cilindros sendo a velocidade variável e ajustável pelo operador durante o processo. Possui um conjunto de lâminas de corte que permite que a borracha seja encaminhada através de um rolo homogeneizador, fazendo-a reentrar no moinho e permitindo assim uma melhor misturação.
Figura 11 - Moinho de homogeneização (Datenblatt - Technical Data HF Mixing Group, 2017)
Finalmente o composto é cortado na largura definida e encaminhada por passadeira, na forma de folha contínua. Neste encaminhamento a folha de composto é marcada continuamente com uma roda de marcação mecânica e, posteriormente, é encaminhada para um tanque de banho, que se destina a impregnar um soluto antiaderente na folha contínua de composto que facilitará o processo de empilhamento. O soluto no tanque, proveniente de tanque externo está em permanente agitação para promover uma boa impregnação.
Para efetuar o arrefecimento do composto, bem como a secagem do soluto impregnado, existe um acumulador da folha contínua de composto de borracha, denominado batch-off. Na Figura 12 está descrito o funcionamento deste acumulador, descrevendo um loop, ou seja, uma disposição ondulada do vão de composto na secagem. Existe, para os efeitos de arrefecimento de secagem, um conjunto de ventiladores em funcionamento automático sempre que detetam a existência de borracha. A velocidade do batch-off está dependente da capacidade do equipamento a montante.
Figura 12 - Esquema descritivo do funcionamento do batch-off (Prodicon Batch-off Systems, 2003) adaptado No posto seguinte existem passadeiras transportadoras ascendentes, representadas na Figura 13, que permitem transferir a folha contínua à saída do batch-off para a zona de empilhamento situada na mezzanine superior.
Figura 13 - Esquema do transporte para a mezzanine superior (Prodicon Batch-off Systems, 2003) adaptado Neste ponto existe uma variação de procedimentos caso se trate de compostos master ou finais. No caso dos compostos master, são diretamente encaminhados para um sistema de empilhamento. Enquanto que no caso dos compostos finais, depois da passagem pelo túnel de arrefecimento, são recolhidas amostras com espessura da folha e diâmetro estabelecido de 25 mm, através de corte com um punção de amostragem. No procedimento atual são retiradas duas amostras, uma amostra no início e outra no fim da folha, para detetar se há alguma contaminação nas mudanças de composto. E em cada carga, normalmente, são retiradas duas amostras mas poderão ser mais em casos especiais. Depois desta recolha de amostras, os compostos finais são encaminhados para o sistema de empilhamento de forma igual ao procedimento dos compostos master. Este sistema de empilhamento, também denominado de sistema paletizador, permite o armazenamento da borracha em mesas próprias. Esta borracha fica empilhada num certo número de cargas por mesa (palete). O processo de empilhamento e amostragem está representado na Figura 14. A temperatura de empilhamento nunca deverá ultrapassar a temperatura especificada.
Figura 14 - Representação do processo de empilhamento e amostragem (Prodicon Batch-off Systems, 2003) adaptado
É feita uma identificação da respetiva mesa através de inscrição na parte superior. Para além dessa marcação é colocada em cada palete uma etiqueta identificativa do composto fazendo constar os seus dados específicos. Na linha 10 e 11, as paletes são posteriormente enviadas para um armazém automático, também conhecido por HBS (High Bay Storage). Atualmente, no armazém automático apenas dão entrada compostos aprovados, os compostos retidos são removidos da linha por operadores.
Existe a possibilidade de filtrar os compostos master assim como os finais num strainer, representado na Figura 15, essa passagem por um strainer no ciclo é representada na Figura 7. O strainer é contituído por alimentadores, moinhos de aquecimento e homogenização, uma extrusora, um filtro, um moinho de acabamento e finalmente um batch off. Esta filtragem melhora a qualidade dos compostos e possibilita também a homogeneização dos compostos.
Figura 15 - Maquinaria do strainer (Arquivo Continental Mabor, 2015) 4.3. Identificação e aplicação dos compostos
O código de identificação de um composto master é feito pelo uso da letra M antecedendo o código do composto específico.
A codificação para os compostos finais é iniciada pelas letras FM, seguidas de uma letra indicativa da máquina onde foi produzido o composto, e antes do código do composto existe ainda uma letra indicativa da área de aplicação do composto, por exemplo, a letra H para o composto de camada estanque e a letra T para o piso. Os compostos que têm na sua constituição Halobutil são riscados com marcações azuis para evitar contaminações.
Se as cargas forem aprovadas nos testes são enviadas para a preparação com a respetiva codificação e marcação referida.
4.4. Teste de reometria
O método experimental de avaliação das propriedades reológicas dos materiais é definido pelo termo geral de reometria. Estas avaliações podem ser relativas ou absolutas. Os métodos relativos são baseados em comparações com modelos de propriedades já conhecidos. O principal objetivo das avaliações absolutas é estabelecer uma relação entre a força (ou o binário aplicado) e a velocidade de escoamento (Malkin e Isayev, 2012). Neste caso de avaliação reométrica são usados métodos absolutos.
O aparelho utilizado é um reómetro e mede a capacidade de vulcanização da borracha quando esta é sujeita a uma força de torção provocada por oscilação constante (oscilação do rotor de 0.5º). Se for uma reometria rápida a temperatura é constante e igual a 200ºC se for uma reometria lenta a temperatura será de 160ºC. Obtém-se valores de torques, em dNm, e tempos, em minutos. O reómetro utilizado é o modelo MDR2000 da Alpha Technologies, representado
na Figura 16. Este reómetro tem uma massa de 280 kg e possui um software dedicado para empresas baseado num sistema LIMS (Laboratory information management system).
Figura 16 - Reómetro MDR2000 (MDR2000 Brochure, 2017)
Os reómetros utilizados na empresa têm algumas alterações na sua estrutura comparativamente com o reómetro notado na Figura 16. Uma das diferenças reside no facto de existir um sistema de alimentação com buffer circular (revólver), este acessório pode-se visualizar acoplado à direita do reómetro na Figura 17. À direita existe também um suporte para os rolos de embalagem. Antes de ser feito o processo de análise as amostras são embaladas da forma descrita na Figura 18 (a), para permitir uma maior automatização e garantir a limpeza do reómetro durante o processo. Após serem avaliadas, as amostras são então extraídas do reómetro, como se descreve na Figura 18 (b).
(a) (b)
Figura 17 - (a) Reómetro MDR2000, com acessório acoplado (Operator's Manual Appendix - MDR2000, 1998); (b) Sistema de alimentação com buffer circular
Figura 18 - (a) Imagem explicativa do método de embalagem das amostras para teste de reometria; (b) Imagem explicativa da saída das amostras vulcanizadas
Na Figura 19 encontra-se um esquema da zona de teste dos ensaios no reómetro, sendo esta zona constituída por duas matrizes, uma matriz superior e uma matriz inferior, sendo que a matriz inferior oscilante está detalhada na Figura 20. Existe um sistema de vedação que previne o vazamento do material a analisar durante o teste.
Figura 19 - Representação esquemática do processo de avaliação por reometria (MDR2000 Brochure, 2017) adaptado
Figura 20 - Detalhe da matriz inferior oscilante (MDR2000 Brochure, 2017)
Após os testes, os gráficos de controlo de reometria são traçados automaticamente e exibidos num monitor próximo do reómetro (Figura 21), sendo os resultados guardados numa base de dados. No eixo horizontal dos gráficos de controlo é descrito o tempo de vulcanização (em min), ou seja, o tempo necessário para alcançar um certo grau de vulcanização (em cura isotérmica). No eixo vertical é definido o valor do binário, em dNm, que está associado à percentagem de vulcanização. O software do reómetro permite a indicação da aprovação ou rejeição das amostras de maneira automática, pelas margens de controlo dos gráficos. Existem cinco zonas de controlo, nomeadamente o binário máximo, o binário mínimo e três tempos de vulcanização. Existe uma lista com as denominações dos compostos assim como a identificação das cargas. Sendo que após os testes, as aprovações são indicadas a verde e as rejeições são assinaladas a vermelho.
Figura 21 - Monitor que relata as aprovações/rejeições e gráficos de reometria obtidos (situação não real, apenas para efeitos explicativos)
Na Figura 22 estão representadas várias curvas de reometria de compostos aprovados, estas curvas estão dentro das margens de aceitação nas zonas relevantes. Na Figura 23, por sua vez, estão representadas curvas de compostos retidos, sendo que as mesmas apresentam dispersão em zonas críticas. Estes compostos são retidos e aguardam disposição por parte do departamento técnico.
Figura 22 - Curvas típicas de reometria, obtidas no software implementado, de compostos aprovados (situação não real, testes realizados apenas para efeitos explicativos)
Figura 23 - Curvas típicas de reometria, obtidas no software implementado, de compostos retidos (situação não real, testes realizados apenas para efeitos explicativos)
A amostragem para o teste de reometria é feita de acordo com a receita do composto, no mínimo, com duas amostras por cada carga produzida. De referir que amostragens de mais de duas amostras por carga apenas se verificam nos casos de testes em desenvolvimento de novos compostos, ou seja, são situações muito esporádicas e com procedimentos específicos. Atualmente, o tempo de ciclo das análises na totalidade tem grandes variações, estando em alguns momentos o reómetro em idle, ou seja, à espera de receber amostras e por vezes existe uma excessiva acumulação de amostras para analisar. Esta situação deve-se essencialmente ao facto de o operador ter outras atividades para realizar simultaneamente. Para além disso, no modo de funcionamento atual, existem flutuações nos tempos devido às operações manuais, tanto no manuseio das amostras como na marcação e transporte.
Atualmente, o procedimento de análise é feito de forma a que quando uma amostra é retida nos testes de reometria, a amostra de reanálise dessa carga, da carga anterior e da carga posterior são analisadas. A título de exemplo, na Figura 24, sendo a amostra 1.1 a primeira amostra da carga número 1, sendo a amostra 1.2 a segunda amostra da carga número 1, sendo a amostra 2.1 a primeira amostra da carga número 2, e assim sucessivamente. Se, eventualmente, a amostra 1.1 for aprovada por reometria e a amostra 2.1 reprovada, serão feitas as análises das amostras 1.2, 2.2, 3.1 e 3.2. Atualmente, está descrito no procedimento que é necessário analisar a amostra 3.2, esta análise é feita apenas por redundância, para excluir qualquer influência do operador na avaliação. Se as reanálises estiverem também fora das zonas de controlo, as respetivas cargas serão retidas.
Figura 24 - Exemplo de amostras para avaliação três cargas, em que existe uma amostra reprovada Segundo o procedimento atual, se mais de uma determinada percentagem das cargas de composto falharem os testes de reometria, deverão ser analisados os limites de controlo de reometria, pois poderá ser um sinal de que os limites estão desajustados para a avaliação do composto em causa.
5. Indústria 4.0
O termo Indústria 4.0 refere-se à quarta revolução industrial, e atualmente é um tema predominante nas conferências e projetos relacionados com a indústria. Foi usado pela primeira vez em 2011, na Hanover Fair, sendo inicialmente um projeto do governo Alemão denominado Industrie 4.0.
As três primeiras revoluções industriais duraram cerca de 200 anos. Por volta de 1780 começou a primeira revolução, com a introdução de máquinas a vapor, o que levou a um enorme aumento na produtividade. A segunda revolução deu-se com a melhoria de organização das tarefas, desenvolvendo-se linhas de produção contínuas. Em 1969, iniciou-se a aplicação de controladores programáveis digitais, o que possibilitou a introdução de sistemas de automação (Drath e Horch, 2014).
No âmbito da sessão de exposição sobre "Indústria 4.0 - Fábricas Inteligentes”, realizada no dia 29 de março de 2017, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, foram referidos e discutidos os conceitos da Indústria 4.0, nomeadamente análises preditivas, conexões inteligentes de produtos, fábricas inteligentes, o uso de projetos digitais/simulações, a computação de alto desempenho e a robótica avançada. Nesta sessão de exposição foram também apresentados programas de previsão e gestão de falhas, como o Selsus Decision
Support System, programas que calculam a probabilidade das ocorrências com base nos inputs
e que dão apoio na tomada de decisões na fase de projeto. Outro tópico de importância frisado nesta sessão foi a denominada auto-descrição (do inglês self-description) dos produtos/componentes, que permite a identificação e o acesso a documentação com todos os detalhes de um componente partindo da sua identificação.
Citando o engenheiro aeroespacial norte-americano Edward A. Murphy, “qualquer coisa que possa ocorrer mal, ocorrerá mal”, mas nestes casos os novos sistemas deverão estar preparados para detetar e reagir a essas anomalias, devolvendo aos sistemas a sua estabilidade normal. Os novos requisitos do mercado e as emergentes tecnologias, como a Internet of
Things (IoT), estão a direcionar as indústrias produtivas para o desenvolvimento de fábricas
inteligentes, ou smart factories. A ideia por detrás da IoT é o enriquecimento dos objetos físicos de tecnologias de suporte, permitindo uma integração dos objetos no sistema de informação, fazendo com que os mesmos desempenhem um papel ativo nos processos (Shrouf et al, 2014). Será permitido guardar documentos e informações numa rede sobre os produtos, através da identificação individual, de uma forma não física, sendo que estas informações podem sempre ser atualizadas para a sua versão mais recente. Na Figura 25 apresenta-se a organização dos sistemas baseados neste modelo (Drath e Horch, 2014).
