Relatório O Poder do futuro: Tecnologias emergentes e futuras fábricas

2015 Fevereiro 04, 09:00 CEST

AUTOR: Professor Peter J Dobson OBE, The Queen’s College, Oxford e Warwick Manufacturing Group, Universidade de Warwick.

Nas últimas duas décadas, ocorreram alterações radicais no mundo da fabricação, confinando aos livros de história os dias e anos de fábricas sujas e barulhentas, que contavam com ferramentas e práticas de trabalho ultrapassadas. Mesmo em casos de engenharia de fabricação em larga escala, o local de trabalho é visivelmente mais limpo e organizado. Essas alterações foram amplamente acionadas por melhorias na eficiência, bens de maior qualidade e métodos de redução de custos.

A pergunta a ser feita agora é: Como as tecnologias emergentes e os avanços na tecnologia tradicional mudarão o formato do futuro e a organização da fábrica? Com o uso disseminado da tecnologia de informação e comunicação (ICT), que está criando uma combinação de diversas tecnologias e aplicações, as atitudes em relação à fabricação já estão mudando, incluindo a maneira com que a futura força de trabalho é desenvolvida e treinada.

Tecnologias novas e emergentes:

O notório aumento na importância e sofisticação da ICT não consegue passar despercebido. Os processos podem ser monitorados e controlados. O estoque na entrada e saída de um processo de fabricação pode agora ser rastreado, e os dados podem ser utilizados para maximizar a eficiência. As máquinas utilizadas nas fábricas podem ter suas condições monitoradas continuamente, e isso pode, e terá, grandes implicações na redução do custo de manutenção e tempo de parada da máquina. Isso também deve reduzir a possibilidade de erro humano (Dhillon 2014).

O projeto do processo em si foi alterado, e houve uma forte redução no número de funcionários do projeto e variação na infraestrutura correspondente. Isso pode levar a um aumento no trabalho em casa e em equipes ou empresas especializadas em projeto, que atendem várias unidades de fabricação. As referências ao termo "projeto" farão parte do vocabulário de engenheiros com mais frequência. Ele fará parte de mais ramos da engenharia, que sem dúvida terão efeitos profundos na educação em todos os níveis.

Das tecnologias recém-emergentes, a biotecnologia foi aprimorada por novos desenvolvimentos em sistemas e biologia sintética, seguida pela nanotecnologia e suas aplicações em materiais, medicina, energia e outros setores. Agora, é possível prever a necessidade de um novo tipo de fábrica que, possivelmente, possa criar e manipular células humanas.

Em muitos aspectos, a biotecnologia já começou a ter um lugar na paisagem da fábrica, mas apresenta grande variação de tamanho e escopo. Embora já existam operações de larga escala que transformam a cultura de biotecnologia em produtos não alimentícios e energia, há também fábricas de pequena escala, porém de altíssima tecnologia, que criam enzimas puras, proteínas e biomoléculas para uso na Medicina e outras finalidades. Essas atividades crescerão apesar da preocupação pública sobre modificação genética. Um fator comum entre essas atividades é a crescente importância de atividade interdisciplinar e a necessidade crescente por produtos químicos e engenheiros de processo.

Um novo desenvolvimento muito provável é o desenvolvimento de "fábricas de células-tronco" e, mais tarde, possíveis "fábricas de substituição de órgãos". No entanto, o modelo de negócio para essas fábricas e a maneira como serão organizadas e construídas ainda deverão ser decididos. O mundo da biotecnologia está muito suscetível à contaminação por indesejadas espécies microbianas, virais e fúngicas. Portanto, uma boa manutenção e limpeza são de extrema importância, e a maioria das fábricas de biotecnologia é e será caracterizada por condições operacionais estéreis e muito limpas, juntamente com a cuidadosa contenção de fluxos de resíduos.

Em comum com vários outros processos químicos, essas fábricas se esforçarão para usar totalmente os "resíduos", incluindo o dióxido térmico e de carbono para alimentação em outros processos da fábrica. Essa atitude de nível zero de resíduos e máxima eficiência térmica está sendo incorporada na psique dos engenheiros de processo. Um bom exemplo que está surgindo é o uso da colheita de energia a partir do aquecimento de resíduos, fluxo de fluidos ou vibração para fornecer alimentação elétrica para sensores que agora estão mais integrados na fábrica, eliminando, muitas vezes, a necessidade de uma série de cabeamentos, mas fazendo uso da telemetria sem fio. 

A nanotecnologia tem o potencial para oferecer aperfeiçoamentos bastante significativos e alterações nos materiais através de uma abordagem incremental, bem como para proporcionar ação realmente transformadora em áreas como iluminação de baixo consumo de energia, novo armazenamento e conversão de energia e desenvolvimentos nanomédicos. Será preciso ocorrer um aumento em escala muito significativo para que as nanopartículas e outras nanoestruturas possam ser produzidas em massa, sob condições rigorosamente controladas e, em seguida, incorporadas em materiais e produtos. Essa "jornada" está só começando. Já estamos cientes dos possíveis riscos de que as nanopartículas sejam liberadas inadvertidamente no meio ambiente ou no local de trabalho; portanto, seu uso será estritamente controlado e isso, por si só, levará a novas maneiras benéficas de controlar o fluxo de resíduos que sairá das fábricas do futuro. Além disso, temos que lidar com a economia de introduzir novos materiais nanocompostos, mesmo que estejamos objetivando o aperfeiçoamento incremental. Na maioria das indústrias, "custo é crucial" é o principal paradigma, e o mercado determinará se uma pequena vantagem em desempenho pode justificar um aumento no custo de fabricação. Haverá uma Análise de ciclo de vida da fabricação muito mais detalhada no futuro. Isso está se tornando aparente já no campo de materiais compostos, porque, para tais materiais, é muito difícil recuperar a matéria-prima original para reciclagem. À medida que faltam recursos, isso pode até mesmo levar a novos conceitos de fábricas de reciclagem.

Setores onde novos conceitos de fábrica serão necessários:

O setor farmacêutico deve passar por mudanças radicais em breve. Muitos dos métodos tradicionais de preparação de novas drogas serão mantidos, mas, para assegurar a qualidade e manter os custos baixos, os processos se tornarão mais automatizados e incorporarão mais instrumentação. A introdução da nanotecnologia para sintetizar novos métodos de fornecimento de drogas e diagnóstico levará, principalmente, a grandes mudanças na fabricação de produtos. Isso pode acontecer gradualmente, inicialmente com uma "extensão de vida" das formulações existentes, oferecendo as drogas através de nanopartículas ou nanocápsulas. Isso pode ser especialmente verdadeiro nas drogas inaladas. Todas essas nanopartículas também terão uma camada de superfície de "reconhecimento de alvo" bastante sofisticada para garantir que atinjam o alvo certo no corpo. Fazer com que o processo da fábrica faça isso repetidamente e de maneira que atenda às agências reguladoras será um desafio.

O setor de energia exigirá novos métodos de fabricação. As nanopartículas e vários aspectos da biotecnologia se tornarão cruciais nos novos métodos de armazenamento e geração de energia. A maioria dos novos avanços de bateria depende muito do desenvolvimento de novos materiais para armazenar e liberar íons carregados. Isso requer a integração à base de carbono de novos materiais que podem ser desenvolvidos para ter enormes superfícies internas nessas baterias. Os fatores para isso não estão restritos à indústria de veículos elétricos e híbridos, mas espalhados pelo armazenamento de energia em geral, principalmente para fontes intermitentes de energia renovável, como a eólica e a solar. As nanopartículas para catálise também serão necessárias em formatos cada vez mais sofisticados. Existe um grande potencial para fazer com que catalisadores e reatores ajudem a converter a "capacidade elétrica sobressalente" em gás, seja hidrogênio por eletrólise ou fotoeletrólise de água e, possivelmente, a produzir metano a partir de dióxido de carbono e água. Os catalisadores e novos reatores especializados também serão necessários para a conversão de gás em líquido, pois, goste ou não, os combustíveis de hidrocarbonetos são uma maneira bastante eficaz de transporte de energia.



A indústria automotiva e a de transporte estarão colocando requisitos muito desafiadores em novos materiais para reduzir o peso e ainda manter a resistência e a integridade. Já há alterações nos veículos, na mudança de aço para alumínio para ficarem leves, e essa mudança geral pode continuar. O papel de materiais compostos para substituir o aço é especialmente desafiador devido à questão de reciclagem indicada anteriormente. A recuperação da energia a partir do que é hoje calor residual, seja no setor automotivo ou de construção, levará a novos tipos de bombas de calor e outros conversores de energia.

Treinamento:

Está claro que há uma necessidade muito real e urgente para o treinamento de pessoas para as fábricas do futuro. Já ocorreram várias iniciativas europeias, como a "Manufuture", e a situação contrastante dos Estados Unidos e o Japão foi muito bem resumida por Mavrikios et al (2013). As tendências globais nessa área foram conferidas e analisadas em um artigo por Secundo et al (2013). Isso identificou, em especial, as necessidades sociais de preservação dos recursos escassos, levando em consideração a mudança climática e a redução da pobreza. Elas também identificam o programa Manufuture e o programa IMS2020 que estão sendo conduzidos na Europa, Japão, Coreia, EUA e Suíça, que tratam de todas essas questões, além de tratar a padronização, inovação e o aspecto ultraimportante do desenvolvimento de competência e educação.

O Reino Unido, por exemplo, está implementando o treinamento em diversos níveis. Está aumentando sua capacidade para estágios iniciais do treinamento de habilidades através de oficinas de aprendizagem e há novas faculdades especiais de tecnologia em universidades que estão sendo criadas para aumentar o número de faculdades de ensino complementar. Em um nível de graduação mais alto, existem vários Centros de treinamento de doutorado especializados. A lacuna atual no Reino Unido e em outros lugares provavelmente está no estágio de pós-experiência e no fornecimento de cursos para Desenvolvimento profissional contínuo. Sinceramente, isso realmente precisa ser resolvido.

O EPSRC apresentou recentemente uma iniciativa com enfoque para melhorar o treinamento e a transferência de conhecimentos na área de fabricação e criou 16 novos Centros de fabricação inovadora. Essa provisão para pesquisa e desenvolvimento nos estágios iniciais de Níveis de preparação tecnológica (Technology Readiness Levels, TRL) 1-3 complementa as novas iniciativas do InnovateUK Catapult que cobrem os níveis TRL superiores. Atualmente, existem sete desses com sedes em todo o país, com um investimento de £ 140 milhões por um período de seis anos.

Outro aspecto que ainda não foi coberto é a questão de manter nossas fábricas do futuro operacionais. Ao longo dos anos, foi adotada alguma forma de monitoramento de condições ou de manutenção preventiva, principalmente na indústria aeroespacial e automotiva. À medida que os processos de fabricação tornam-se mais diversificados e automatizados, há uma necessidade de evitar falhas da fábrica, e, especialmente, erros humanos. Os problemas estão bem descritos em um artigo recente de Dhillon (2014).

Quais são as políticas locais e nacionais que estão surgindo para ajudar a desenvolver as Fábricas do Futuro?

Há um amplo consenso na resposta a isso, e parece haver um desenvolvimento com finalidade em comum.

A Comissão Europeia emitiu um documento preparado pela Associação de pesquisa Fábricas Europeias do Futuro: "Fábricas do Futuro", que define um roteiro detalhado para seu programa Horizon 2020. Este documento tem uma cobertura extremamente ampla de aspectos técnicos, sociais e organizacionais.

O governo do Reino Unido emitiu um documento preparado como parte de sua Visão de Futuro do projeto de fabricação: a fábrica do futuro (Ridgeway et al (2013). Este documento recomenda:
  • Mais integração das cadeias de suprimento
  • Trabalho mais estreito entre a indústria e as universidades do Reino Unido
  • Foco na inovação técnica e organizacional
  • Uma visão de "integração de sistemas"
  • Projeto de fábricas e operações reconfiguráveis
  • Estrutura regulamentar favorável para novas fábricas, principalmente em ciências biológicas
  • Uma visão do Reino Unido que incentiva a inovação e as redes de talentos
  • Reconhecimento de que deve haver uma mudança de cultura.

Há forte indício de que as políticas locais para a criação de fábricas do futuro estão começando a ganhar impulso. Por exemplo, o conceito de uma abordagem modular "plug-and-play” está sendo aplicado na fabricação de produtos químicos nos Serviços de Tecnologia da Bayer na Alemanha, com o financiamento da UE. A grande fábrica da BASF de fabricação de produtos químicos, em Ludwigshafen, já oferece um exemplo de fabricação totalmente integrado, onde há mínimo desperdício de energia ou resíduos

Claramente, a missão de criar essas fábricas do futuro está em vigor agora e nos deparamos com um momento interessante e desafiador para implementá-las.

Referências:
Mavrikios D, Papakostas N, Mourtzis, D, and Chryssolouris G. (2013). On industrial learning and training for the factories of the future: a conceptual, cognitive and technology framework. J.Intell. Manuf. 24, 473.

Dhillon BS. (2014). Human error in maintenance: An investigative study for factories of the future. Materials Science and Engineering. 65, 012031.

Ridgway K, Clegg CW, Williams DJ. (2013). The Factory of the Future. ISBN-13:987-0-9927172-0-9

Secundo G, Passiante G, Romano A and Moliterni P (2013) Developing the next generation of engineers for intelligent and sustainable manufacturing: A case study. International Journal of Engineering Education 29, 248.

[FIM]

Sobre Peter Dobson

Peter é especialista em fabricação, materiais avançados e nanotecnologia. Ele é atualmente Colaborador no Grupo de Fabricação de Warwick na Universidade de Warwick, participa de diversos painéis e conselhos do EPSRC e presta ampla consultoria para a indústria. De 2002 a 2013, ele comandou o Begbroke Science Park na Universidade de Oxford e implementou diversas empresas que surgiram de pesquisas. Peter recebeu o prêmio Ordem do Império Britânico em reconhecimento a seus serviços para a ciência e engenharia em 2013, e, no mesmo ano, aposentou-se da Universidade de Oxford, onde era Consultor estratégico em nanotecnologia para os Conselhos de pesquisa no Reino Unido (2009-2013).

P J Dobson, bacharel em Ciências, Mestre (Oxon), PhD, Licenciatura Profissional em Física, F Inst P, membro da ACS, FRCS.

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