Segurança CNC através da Digital Twin

Dois alunos de mestrado da KU Leuven desenvolveram um sistema de prevenção de colisões em tempo real para máquinas CNC como parte do seu trabalho de tese. Esta solução promissora utiliza um digital twin para prever e prevenir automaticamente colisões de máquinas durante a produção, com impacto directo no controlo de custos, segurança e 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 a sua sede em Zaventem, a ASCO desenvolve e fabrica componentes mecânicos complexos para asas de aeronaves e trem de aterragem. Estes componentes são produzidos em máquinas CNC de última geração controladas pela tecnologia Siemens, onde a precisão e a fiabilidade são críticas.

Colisões: Uma Realidade Industrial

Na produção aeroespacial, os programas NC são rotineiramente simulados num digital twin antes de serem transferidos do CAM para a máquina. No entanto, o risco de colisões mantém-se. Variações no comprimento da ferramenta, desvios nos pontos zero da peça ou erros humanos durante a entrada podem levar a falhas durante a maquinação. As consequências são significativas, com potenciais danos à máquina, à peça de trabalho ou aos cronogramas de produção que podem resultar em custos que atingem dezenas de milhares de euros.

“Os erros humanos são inevitáveis num ambiente de produção complexo”, diz Mohamed El Hatri, engenheiro-chefe sénior da ASCO. “Um comprimento de ferramenta inserido incorretamente ou operação manual através do modo jog pode ser suficiente para causar uma falha grave. Por isso, procurámos uma forma de gerir ativamente esse risco, não só de antemão, mas também durante o próprio processo de maquinação. Na produção aeroespacial, trabalhamos com máquinas CNC extremamente caras e complexas. Um fuso sozinho numa máquina CNC pode custar mais de 100.000 euros. Apesar das extensas simulações de antemão, as colisões continuam a ser possíveis devido a pequenas variações ou erros humanos. Queríamos não só limitar esse risco, mas controlá-lo ativamente durante o próprio processo de maquinagem.”

Dois segundos à frente

Este desafio concreto tornou-se o ponto de partida para uma colaboração entre a Siemens Industry Academy, a Aerospace Machining Academy e a ASCO, com dois alunos de mestrado da KU Leuven a desenvolver uma solução inovadora. O projeto, que decorreu de outubro de 2023 até ao final do ano letivo 2024-2025, centrou-se no desenvolvimento de um sistema que simulasse o processo de maquinagem em tempo real com dois segundos de antecedência. Primeiro, foi criado um digital twin da máquina utilizando o Siemens NX CAM e o NX MCD, que se comunica continuamente com o controlador da máquina Siemens 840D sl. Se o sistema detectar uma colisão potencial, envia automaticamente um sinal de paragem 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 CNC, design e simulação. Esta abordagem acabou por provar ser a mais eficiente.

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

Embora o sistema de prevenção de colisões ainda não esteja operacional em produção hoje, a ASCO vê oportunidades futuras claras. A solução aborda um problema generalizado na indústria aeroespacial, onde muitas máquinas não são de 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 — deste projeto reside na possível combinação destas tecnologias da Siemens”, diz Jan Vereecke, líder da equipa de operações de serviço MC MTS da Siemens. “Ao ligar diretamente o NX CAM/Sinutrain, o digital twin e o controlador 840D sl, conseguimos simular o processo de maquinação em tempo real. Isto significa que o digital twin funciona não só como uma ferramenta de design, mas também como uma camada de segurança ativa durante a produção. Foi precisamente esta abordagem inovadora que tornou o projeto particularmente desafiador e, ao mesmo tempo, altamente relevante para os alunos: trabalharam com tecnologia de ponta e viram como a sua combinação pode resolver um problema industrial concreto.”

Co-criação na Siemens Industry Academy

O projeto alinha-se perfeitamente com a filosofia da Siemens Industry Academy, que enfatiza a co-criação em torno de verdadeiros desafios industriais. Os alunos têm a oportunidade de trabalhar num contexto profissional, guiados por peritos académicos e engenheiros da indústria. Para a ASCO, o valor acrescentado estendeu-se para além do resultado puramente técnico. A iniciativa proporcionou espaço para explorar e avaliar tecnologias inovadoras sem impactar a produção em curso, ao mesmo tempo que construiu um valioso conhecimento interno.

“Este projeto demonstra perfeitamente como a nossa colaboração com a Siemens e o mundo académico ajuda-nos a olhar para o futuro”, afirma Mohamed El Hatri. “Os alunos trazem uma nova perspetiva, trazemos experiência industrial e, dentro da Siemens Industry Academy, podemos explorar ideias inovadoras sem afetar a nossa produção em curso. Ao desenvolver uma primeira prova de conceito juntos, construímos conhecimento, obtemos insights sobre novas tecnologias e podemos abordar a inovação de uma forma faseada e ponderada. Esta colaboração confirma como os parceiros da indústria, da educação e da tecnologia se fortalecem mutuamente — e juntos constroem uma produção mais segura e inteligente no setor aeroespacial.”

Para os próprios alunos, o projeto foi igualmente valioso. “Trabalhamos com o mesmo software e condições que num ambiente industrial real. Isso tornou o projeto tecnicamente desafiador, mas também particularmente educativo. A orientação da ASCO e da Siemens garantiu que tínhamos de pensar constantemente no que é viável e relevante na prática”, conclui o aluno de mestrado Rohan Vits.