Segurança CNC por meio do Digital Twin

Dois estudantes de mestrado da KU Leuven desenvolveram um sistema de prevenção de colisões em tempo real para máquinas CNC como parte de seu trabalho de tese. Essa solução promissora usa um gêmeo digital para prever e evitar automaticamente colisões de máquinas durante a produção, com impacto direto no controle de custos, na segurança e na continuidade da produção.

A ASCO é um nome estabelecido na indústria aeroespacial internacional desde 1954. A empresa belga faz parte do Montana Aerospace Group desde 2022, que emprega aproximadamente 6.000 pessoas em todo o mundo. Com cerca de 1.100 funcionários na Bélgica em quatro locais, incluindo sua sede em Zaventem, a ASCO desenvolve e fabrica componentes mecânicos complexos para asas de aeronaves e trens de pouso. Esses componentes são produzidos em máquinas CNC de última geração controladas pela tecnologia Siemens, onde a precisão e a confiabilidade são essenciais.

Colisões: uma realidade industrial

Na produção aeroespacial, os programas NC são rotineiramente simulados em um gêmeo digital antes de serem transferidos do CAM para a máquina. No entanto, o risco de colisões permanece. Variações no comprimento da ferramenta, desvios nos pontos zero da peça ou erros humanos durante a entrada podem causar falhas durante a usinagem. As consequências são significativas, com possíveis danos à máquina, à peça ou aos cronogramas de produção que podem resultar em custos que chegam a dezenas de milhares de euros.

“Os erros humanos são inevitáveis em um ambiente de produção complexo”, diz Mohamed El Hatri, engenheiro-chefe sênior da ASCO. “Um comprimento de ferramenta inserido incorretamente ou uma operação manual via modo jog podem ser suficientes para causar uma falha grave. Portanto, procuramos uma maneira de gerenciar ativamente esse risco, não apenas de antemão, mas também durante o próprio processo de usinagem. Na produção aeroespacial, trabalhamos com máquinas CNC extremamente caras e complexas. Um fuso sozinho em tal máquina CNC pode custar mais de 100.000 euros. Apesar das extensas simulações anteriores, as colisões continuam possíveis devido a pequenas variações ou erros humanos. Queríamos não apenas limitar esse risco, mas controlá-lo ativamente durante o próprio processo de usinagem.”

Dois segundos à frente

Esse desafio concreto se tornou o ponto de partida para uma colaboração entre a Siemens Industry Academy, a Aerospace Machining Academy e a ASCO, com dois estudantes de mestrado da KU Leuven desenvolvendo uma solução inovadora. O projeto, que foi executado de outubro de 2023 até o final do ano acadêmico de 2024-2025, se concentrou no desenvolvimento de um sistema que simula o processo de usinagem em tempo real com dois segundos de antecedência. Primeiro, um gêmeo digital da máquina foi criado usando o Siemens NX CAM e o NX MCD, que se comunicam continuamente com o controlador de máquina Siemens 840D sl. Se o sistema detectar uma possível colisão, ele envia automaticamente um sinal de parada para a máquina, mais rápido do que qualquer operador poderia intervir. O processo também foi testado com o SinuTrain, o pacote de software da Siemens para programação, projeto e simulação CNC. Essa abordagem acabou se revelando a mais eficiente.

A escolha da regra dos dois segundos é deliberada. É responsável pelo tempo de reação extremamente rápido do controlador Siemens e pelo fator humano. Se um operador estiver presente, a imagem simulada se alinha estreitamente com o estado real da máquina no momento em que ele desvia sua atenção da tela para a instalação física. Ao mesmo tempo, o sistema fornece uma camada de segurança crucial para máquinas não tripuladas que operam de forma autônoma ou durante a noite.

Embora o sistema de prevenção de colisões ainda não esteja operacional em produção atualmente, a ASCO vê oportunidades futuras claras. A solução aborda um problema generalizado na indústria aeroespacial, onde muitas máquinas não são da última geração e onde os danos por colisão têm um impacto significativo.

Combinando tecnologias

Para o desenvolvimento, os alunos usaram uma ampla pilha de software da Siemens, incluindo NX CAM, NX MCD, NX Open, SinuTrain e o gateway Brown Field Connector, que permite a integração de máquinas mais antigas. “A força — e também o desafio — desse projeto está na possível combinação dessas tecnologias da Siemens”, diz Jan Vereecke, líder da equipe de operações de serviços MC MTS na Siemens. “Ao conectar diretamente o NX CAM/Sinutrain, o gêmeo digital e o controlador 840D sl, conseguimos simular o processo de usinagem em tempo real. Isso significa que o digital twin funciona não apenas como uma ferramenta de design, mas também como uma camada de segurança ativa durante a produção. Foi exatamente essa abordagem inovadora que tornou o projeto particularmente desafiador e, ao mesmo tempo, altamente relevante para os estudantes: eles trabalharam com tecnologia de ponta e viram como sua combinação pode resolver um problema industrial concreto.”

Co-criação na Siemens Industry Academy

O projeto se alinha perfeitamente com a filosofia da Siemens Industry Academy, que enfatiza a cocriação em torno de desafios industriais reais. Os estudantes têm a oportunidade de trabalhar em um contexto profissional, guiados por especialistas acadêmicos e engenheiros da indústria. Para a ASCO, o valor agregado se estendeu além do resultado puramente técnico. A iniciativa proporcionou espaço para explorar e avaliar tecnologias inovadoras sem impactar a produção contínua e, ao mesmo tempo, criar um valioso conhecimento interno.

“Este projeto demonstra perfeitamente como nossa colaboração com a Siemens e o mundo acadêmico nos ajuda a olhar para o futuro”, afirma Mohamed El Hatri. “Os estudantes trazem uma nova perspectiva, nós trazemos experiência industrial e, dentro da Siemens Industry Academy, podemos explorar ideias inovadoras sem afetar nossa produção contínua. Ao desenvolvermos juntos uma primeira prova de conceito, construímos conhecimento, obtemos insights sobre novas tecnologias e podemos abordar a inovação de forma gradual e cuidadosa. Essa colaboração confirma como os parceiros do setor, da educação e da tecnologia se fortalecem mutuamente e, juntos, constroem uma produção mais segura e inteligente no setor aeroespacial.”

Para os próprios estudantes, o projeto foi igualmente valioso. “Trabalhamos com o mesmo software e condições de um ambiente industrial real. Isso tornou o projeto tecnicamente desafiador, mas também particularmente educacional. A orientação da ASCO e da Siemens garantiu que tivéssemos que pensar constantemente sobre o que é viável e relevante na prática”, conclui o aluno de mestrado Rohan Vits.