Forjando o futuro: uma abordagem integrada para manufatura sustentável, adaptativa e aditiva

O cenário global da manufatura está passando por uma transformação sem precedentes, impulsionada por uma convergência de avanços tecnológicos e demandas urgentes por sustentabilidade. Na Siemens, reconhecemos que essa mudança não é apenas incremental; trata-se de uma redefinição fundamental de como os produtos são concebidos, produzidos e sustentados ao longo de todo o seu ciclo de vida. Nosso portfólio abrangente de soluções integradas é projetado para capacitar as indústrias a navegar essa complexidade, promovendo uma nova era de manufatura adaptativa, eficiente e ambientalmente responsável.

O imperativo da transformação: além da produção linear

Os paradigmas tradicionais de manufatura, frequentemente caracterizados pelo consumo linear de recursos e processos sequenciais, estão se tornando cada vez mais insustentáveis. Recursos finitos, custos crescentes de materiais e o impacto inegável das mudanças climáticas exigem o abandono dos modelos de “extrair-produzir-descartar”. A resposta está em uma integração holística de tecnologias digitais avançadas, possibilitando uma economia circular em que os produtos são projetados para durabilidade, reparabilidade e reciclabilidade. A manufatura aditiva (AM) adiciona uma nova dimensão a essa transformação ao eliminar a necessidade de ferramentais, permitir produção sob demanda e reduzir o consumo de materiais.

Essa transformação é sustentada pela convergência de vários pilares tecnológicos críticos, todos centrais para nossa estratégia:

1. O gêmeo digital abrangente: uma base unificada e integrada para toda a cadeia de valor

O gêmeo digital abrangente é a pedra angular dessa abordagem integrada. Muito mais do que um modelo estático, ele é uma réplica virtual dinâmica e viva que abrange todo o ciclo de vida do produto e da produção. Essa representação digital unificada permite otimização contínua, desde o design inicial até o desempenho em operação.

Gêmeo digital do produto (design, simulação e validação): engenheiros podem projetar, analisar e otimizar virtualmente o desempenho de produtos por meio de capacidades avançadas de CAD/CAM/CAE e simulação multidomínio. A integração de capacidades de design para manufatura aditiva (DfAM), como estruturas lattice ou otimização topológica, acelera a inovação e permite projetos impossíveis de produzir por métodos tradicionais. Isso inclui simulações complexas de integridade estrutural, comportamento térmico, dinâmica de fluidos e eletromagnetismo. A capacidade de iterar rapidamente projetos em ambiente virtual reduz drasticamente a necessidade de prototipagem física, o desperdício de material e o tempo de lançamento no mercado.
Gêmeo digital da produção (planejamento e execução): as empresas podem planejar, otimizar e validar virtualmente linhas de produção completas, simulando processos de fabricação e gerenciando operações. Isso inclui simulação de robôs e células, análise de fluxo de materiais e estudos ergonômicos. Capacidades de comissionamento virtual permitem testar a lógica de automação contra a planta virtual, reduzindo significativamente riscos na implementação física e melhorando a eficiência operacional.
Gêmeo digital de desempenho (monitoramento e otimização): ao conectar dados operacionais do mundo real provenientes de controladores e dispositivos de campo ao gêmeo digital via uma plataforma de IoT industrial, os fabricantes obtêm visibilidade sem precedentes. Análises avançadas e algoritmos de IA/ML executados na nuvem ou na borda permitem manutenção preditiva, otimização de processos em tempo real e feedback em circuito fechado para melhoria contínua, minimizando paradas e maximizando a utilização de ativos. Na manufatura aditiva, isso apoia a garantia de qualidade em circuito fechado ao integrar monitoramento do processo de construção, dados da máquina e previsões de simulação.

2. Automação avançada e robótica: orquestrando a produção inteligente

Nossas soluções de automação estão evoluindo para criar ambientes de produção altamente flexíveis, interconectados e inteligentes.

Plataforma de automação integrada: um framework de engenharia unificado fornece integração perfeita para todos os componentes de automação — desde controladores lógicos programáveis e acionamentos até motores, controles CNC e comunicação industrial. Essa integração simplifica a engenharia, reduz a complexidade e garante troca de dados fluida em todo o chão de fábrica.
Robótica e sistemas autônomos: nossas soluções facilitam a integração contínua de diversos sistemas robóticos, desde robôs colaborativos até manipuladores industriais de grande porte. Recursos como programação offline, detecção de colisão e otimização de tempo de ciclo são padrão. A crescente adoção de edge computing aproxima capacidades de IA e machine learning do processo produtivo, permitindo decisões em tempo real para tarefas como controle de qualidade adaptativo, manutenção preditiva e movimentação autônoma de materiais. O uso de controles CNC baseados em g-code em combinação com sistemas robóticos industriais permite movimentos precisos no espaço, transformando o sistema robótico em um sistema de manufatura aditiva ou usinagem de grande formato, com formatos praticamente ilimitados.

3. IoT industrial e análise de dados: a rede neural da manufatura inteligente

Conectividade e inteligência de dados são essenciais para liberar todo o potencial da Indústria 4.0.

Conectividade segura: uma infraestrutura de rede industrial robusta e segura garante aquisição confiável de dados de fontes heterogêneas usando protocolos padrão. Agentes seguros de transferência de dados facilitam o fluxo de informações do chão de fábrica para a nuvem.
Aplicações industriais nativas em nuvem: um sistema operacional aberto de IoT industrial fornece a plataforma para coletar, armazenar e analisar grandes volumes de dados industriais. Ele oferece um rico ecossistema de ferramentas analíticas, serviços de IA/ML e recursos de desenvolvimento low-code, permitindo que empresas criem aplicações personalizadas que transformam dados brutos em insights acionáveis, impulsionando excelência operacional e novos modelos de negócio.

4. Manufatura aditiva: habilitando liberdade de design, agilidade, resiliência, individualização e eficiência de recursos

A manufatura aditiva evoluiu para se tornar um habilitador central da próxima geração de fabricação de peças, impactando múltiplas dimensões:

Liberdade de design impulsionando novas inovações de produto: a AM elimina restrições tradicionais de fabricação. Com otimização topológica, canais internos, estruturas otimizadas por desempenho e simulação e consolidação de peças, engenheiros podem projetar componentes mais leves, mais eficientes e mais funcionais. Nosso fluxo de trabalho end-to-end para AM funciona como um fio digital completo, do design à simulação até a preparação da construção. Isso garante impressões corretas na primeira tentativa, reduz consumo de material e acelera o desenvolvimento de produtos inovadores.
AM para ferramentaria e moldes tornando a manufatura tradicional mais rápida e eficiente: a combinação de ferramentas de moldes com capacidades de design aditivo resulta em moldes de injeção com resfriamento conformal, ferramentas aliviadas em peso, dispositivos rápidos ou garras robóticas aprimoradas. Isso leva a melhores tempos de ciclo, menor consumo de energia, maior produtividade e redução no tempo de desenvolvimento.
Resiliência por meio da produção local sob demanda de peças de reposição: ferramentas inteligentes de gestão de pedidos, combinadas com capacidades aditivas, permitem produção descentralizada sob demanda. A própria Siemens é um forte usuário, especialmente no setor ferroviário. Por exemplo, a Siemens Mobility produz peças de reposição aditivas para trens, incluindo componentes internos, peças críticas para serviço e itens descontinuados — reduzindo drasticamente prazos e aumentando a disponibilidade da frota.
Flexibilidade de tamanho de lote (lot size X) com custos de produção em massa: tornando a produção adaptativa para reagir com flexibilidade a incertezas e mudanças rápidas na demanda, por meio do uso de IA industrial em sistemas de planejamento, execução de manufatura, qualidade e monitoramento de processos. Isso permite produzir economicamente lotes de tamanho 1, 10, 100 ou 1000 com custos equivalentes, enquanto gerencia a complexidade em tempo real.
Integração de manufatura híbrida: nossos sistemas CNC suportam manufatura híbrida, combinando processos aditivos e subtrativos em uma única máquina. Isso permite criar geometrias complexas com precisão e acabamento superficial da usinagem tradicional, abrindo novas possibilidades para consolidação e reparo de peças.

5. Cibersegurança: fortalecendo a fronteira digital

Soluções de segurança integradas: à medida que a manufatura se torna mais conectada, a cibersegurança robusta é inegociável. Empregamos uma estratégia em múltiplas camadas (“defense-in-depth”), alinhada à norma IEC 62443 para segurança em automação industrial. Nossa abordagem holística é baseada em três pilares essenciais: segurança da planta, segurança da rede e integridade dos sistemas. Isso inclui segmentação segura de redes com firewalls industriais (como em soluções de DMZ industrial), mecanismos de inicialização segura em controladores, controle de acesso baseado em funções e monitoramento contínuo de ameaças com detecção avançada de anomalias.

6. Produção sustentável e circularidade: um princípio central de projeto

Eco-design e otimização de materiais: o gêmeo digital permite simular uso de materiais, consumo de energia e impactos ao longo do ciclo de vida ainda na fase de projeto, promovendo o desenvolvimento de produtos projetados para durabilidade, reparabilidade e reciclabilidade. A AM permite produzir fisicamente esses projetos otimizados.
Eficiência de recursos na produção: ao otimizar processos por meio de análise de dados e automação, fabricantes podem reduzir significativamente consumo de energia, geração de resíduos e emissões. Modelos de produção descentralizados, viabilizados por tecnologias ágeis, encurtam cadeias de suprimento e reduzem impactos de transporte.
Sistemas de ciclo fechado: o fio digital fornece a rastreabilidade necessária para acompanhar materiais e componentes ao longo de seu ciclo de vida, permitindo estratégias eficazes de reciclagem, remanufatura e reutilização, promovendo uma economia verdadeiramente circular.

Nossa visão para a próxima geração da manufatura é aquela em que sistemas inteligentes e interconectados — combinados com o poder transformador da manufatura aditiva como tecnologia habilitadora — moldam o futuro. Ao oferecer um portfólio integrado de tecnologias e serviços avançados, capacitamos as indústrias a construir um futuro não apenas mais produtivo e resiliente, mas também fundamentalmente mais responsável e circular. Também adotamos essas tecnologias internamente como grandes usuários de manufatura aditiva na indústria ferroviária; trata-se de repensar e redesenhar toda a cadeia de valor industrial para enfrentar os desafios e oportunidades do amanhã.

Karsten Heuser, vice-presidente de manufatura aditiva na Siemens Digital Industries

Karsten Heuser é vice-presidente de manufatura aditiva e chefe de manufatura avançada e circularidade (CCT) na Siemens Digital Industries. Ele está baseado em Erlangen, Baviera, Alemanha.