“Estamos no início de uma revolução que alterará profundamente a maneira como vivemos, trabalhamos e nos relacionamos. Em sua escala, escopo e complexidade, a Quarta Revolução Industrial é algo que considero diferente de tudo aquilo que já foi experimentado pela humanidade.” – Klaus Schwab (livro: A Quarta Revolução Industrial)

Introdução

O termo “Industria 4.0” foi proposto originalmente num evento em Hannover na Alemanha em 2012 para renomear a indústria manufatureira alemã, enquanto descreviam a influência da Internet das Coisas na indústria, comunicação máquina à máquina (M2M) e a digitalização de processos industriais. Os termos “Internet industrial das coisas” (IIoT) e fabricação inteligente também são usados para descrever aproximadamente o mesmo conceito.

As três primeiras revoluções industriais trouxeram a produção em massa, as linhas de montagem, a eletricidade e a tecnologia da informação, elevando a renda dos trabalhadores e fazendo da competição tecnológica o cerne do desenvolvimento econômico. A quarta revolução industrial, que terá um impacto mais profundo e exponencial, se caracteriza, por um conjunto de tecnologias que permitem a fusão do mundo físico, digital e biológico.

As principais tecnologias que permitem a fusão dos mundos físico, digital e biológico são a Manufatura Aditiva, a Inteligência Artificial (IA), a IoT, a Biologia Sintética e os Sistemas Ciber Físicos (CPS).

A evolução da Indústria Manufatureira

Na história industrial, podemos separar quatro revoluções que mudaram fundamentalmente a maneira como os produtos são fabricados.

A primeira começou no final do século XVIII com a introdução da produção mecânica à base de água e vapor.

A segunda começou no início do século 20 e foi definida pela produção em massa e linhas de montagem usando energia elétrica, suportada pelo trabalho humano.

Após a introdução e posterior implementação em massa do poder da computação, a terceira revolução industrial começou na década de 1970. Maior controle e confiabilidade foram possibilitados por meio de eletrônicos, tecnologia da informação e produção automática. A alta confiabilidade era essencial, pois as implantações industriais geralmente estão relacionadas a processos críticos. Um mau funcionamento pode potencialmente colocar vidas em risco ou induzir danos estruturais. Para oferecer uma confiabilidade alta, as implantações industriais durante a terceira revolução industrial dependiam de infraestruturas de rede caras e inflexíveis. Isso se adequava ao paradigma predominante da produção linear: escreva especificações altamente detalhadas, faça com que um integrador de sistemas as implemente, coloque a linha em funcionamento, faça alguns pequenos ajustes, produza e finalmente desmonte tudo e comece novamente o próximo produto.

Agora, ao invés de se produzir volumes cada vez maiores a custos decrescentes, o novo desafio é produzir produtos individualizados – ou pelo menos um número explosivo de variantes – a custos de produção em massa. A nova necessidade desses itens personalizados, mas produzidos em massa, levou à necessidade de repensar os modelos de negócios, a estratégia e as estruturas organizacionais.

Esta nova visão, que leva de altamente otimizado a altamente flexível, requer uma maneira mais ágil de fabricar. Os condutores dos negócios estão mudando:

• Da produção em massa à personalização em massa.
• Do país de origem de baixo custo à fonte de proximidade.
• Da automação à distância à interação homem-máquina.

Com o surgimento de tecnologias de habilitação digital e novas técnicas de fabricação, a indústria poderia evoluir. E, para conectar o mundo físico ao mundo virtual, a quarta revolução industrial estabeleceu inteligência em rede, integrando a Internet das coisas ao processo de fabricação.

Do ponto de vista tecnológico, a Industria 4.0 pode ser resumida como a tendência de incorporar a fabricação auxiliada por computador com automação, redes sem fio, coleta contínua de dados e inteligência artificial. Trata-se de uma mudança de paradigma, que consiste desde melhorias incrementais nos sistemas existentes, mecânica, eletrônica e controle de baixo nível, até inovação em algoritmos, dados, conectividade e usabilidade. Tecnologias digitais como Big Data, IA, IoT e Conexão 5G, estão crescendo exponencialmente e, assim, impulsionando a Industria 4.0.

Reforçando a definição de Indústria 4.0

O conceito de indústria 4.0 refere-se à chamada quarta revolução industrial. Isso envolve a transformação digital da indústria com a integração e digitalização de todos os processos industriais que compõem a cadeia de valor, caracterizados por sua adaptabilidade, flexibilidade e eficiência que permitem atender às necessidades do cliente no mercado atual.

A Indústria 4.0 representa um salto qualitativo na organização e controle de todo o valor da cadeia ao longo do ciclo de vida da fabricação e entrega do produto.

Isso produz uma mudança de paradigma para as indústrias.

Princípios da mudança para a Indústria 4.0

Essa mudança de paradigma no setor 4.0 é baseada nos seguintes princípios:

Um quadro Comparativo entre a Indústria tradicional e Indústria 4.0

Quais são os benefícios da Indústria 4.0?

• Maior produtividade e melhor gerenciamento de recursos.
• Tomada de decisão mais eficiente com base em informações reais.
• Processos produtivos otimizados e integrados
• Aumenta a flexibilidade para obter uma produção em massa e personalizada em tempo real.
• Comunicação direta entre clientes e organizações, o que significa que podemos entender melhor o que os clientes precisam.
• Redução do tempo de fabricação, tanto no design de novos produtos quanto no merchandising deles.
• Redução da porcentagem de defeitos ou retração nas fábricas, pois será possível testar os protótipos de maneira virtual e as linhas de montagem serão otimizadas.

Impactos dos oito principais condutores

1. Recursos/processos: consumo inteligente de energia; internet das coisas; otimização do processo em tempo real. [Aumento de produtividade de 3% a 5%.]
2. Utilização de ativos: flexibilidade de rotas; flexibilidade de máquinas; controle e monitoramento remotos; manutenção preditiva; realidade aumentada para manutenção, reparação e operações. [Redução do tempo de inatividade total das máquinas entre 30% e 50%.]
3. Trabalho: colaboração homem-robô; controle e monitoramento remotos; gestão digital do desempenho; automatização do conhecimento do trabalho. [Aumento da produtividade pela automação do trabalho: de 45% a 55%.] 
4. Inventários: impressão 3D no local; otimização da cadeia de valor; produção de um produto (customização). [Custos devem diminuir entre 20% e 50%.]
5. Qualidade: controle estatístico do processo; controle avançado do processo; gestão digital da qualidade.  [Custos podem ser reduzidos de 10% a 20%.]
6. Matching de oferta e demanda: previsão de demanda data-driven ; concepção do valor data-driven. [A precisão das previsões deve chegar a 85% ou mais.]
7. Time to Market : co-criação com consumidores/inovação aberta ; engenharia simultânea; rápida experimentação e simulação. [Redução no time to market entre 20% e 50%.]
8. Serviço/Pós-venda: manutenção preditiva; manutenção remota; orientação virtual self-service. [Redução nos custos de manutenção entre 10% e 40%.]

Fonte: Industry 4.0 at McKinsey’s model factories. Mckinsey, 2016

Ecossistema da Indústria 4.0

Este diagrama apresenta os principais atores e elementos do ecossistema da Indústria 4.0

Como está o Brasil neste tema?

Conforme a Agenda brasileira para a Indústria 4.0, há grandes desafios para a economia brasileira, em especial para a indústria, que enfrentou adversidades recentemente. Apesar disto, os dados apontam a quarta revolução industrial como uma oportunidade para o país.

Nossa indústria de transformação representa menos de 10% do PIB, mas já havia atingido mais de 20% em meados da década de 1980, reduziu-se para próximo de 11%, fruto de mudanças na estrutura produtiva do país e dos novos modelos de negócios trazidos pela disrupção tecnológica.

A Posição do Brasil nos Índices Globais de Empreendedorismo, Inovação e Competitividade deixa a desejar, mas a partir de 2018 o Brasil começou uma retomada econômica e o MDIC instituiu, em junho de 2017, o Grupo de Trabalho para a Indústria 4.0 (GTI 4.0), com o objetivo de elaborar uma proposta de agenda nacional para o tema.

O GTI 4.0 possui mais de 50 instituições representativas (governo, empresas, sociedade civil organizada, etc), por onde ocorreram diversas contribuições e debates sobre diferentes perspectivas e ações para a Indústria 4.0 no Brasil. Abaixo algumas delas:

Temas prioritários como aumento da competitividade das empresas brasileiras, mudanças na estrutura das cadeias produtivas, um novo mercado de trabalho, fábricas do futuro, massificação do uso de tecnologias digitais, Startups, test beds, dentre outros foram amplamente debatidos e aprofundados neste GTI 4.0.

A recomendação deste grupo é que cada indústria persiga uma estratégia dual, em que se muda o presente e se constrói o futuro, pois transformar a indústria hoje significa que a despeito dos desafios trazidos pela 4a revolução industrial, as empresas têm espaço para fazer um uso mais eficiente dos seus recursos (físicos, financeiros e informacionais) para que seus produtos e serviços sejam mais competitivos no País e no mundo. Isso se traduz na implementação de formas mais eficientes de gestão como o lean manufacturing além de orientar processos e decisões a partir da análise em tempo real dos dados de produção.

Os impactos da Indústria 4.0 sobre a produtividade, a redução de custos, o controle sobre o processo produtivo, a customização da produção, dentre outros, apontam para uma transformação profunda nas plantas fabris.

Segundo levantamento da ABDI (Agência Brasileira de Desenvolvimento Industrial), a estimativa anual de redução de custos industriais no Brasil, a partir da migração da indústria para o conceito 4.0, será de, no mínimo, R$ 73 bilhões/ano.

Essa economia envolve ganhos de eficiência, redução nos custos de manutenção de máquinas e consumo de energia. E para incentivar os empresários, o MCTI (Ministério da Ciência Tecnologia e Informação) e a Finep, anunciaram recentemente (18/junho/2020) um edital de R$ 50 milhões para tecnologias 4.0.

E como as Startups podem ajudar?

Startups podem ajudar as empresas maiores a acelerarem seus processos de inovação, atuando como parceiros no desenvolvimento de projetos, ou como fornecedores de produtos e serviços especializados, enfim, fazendo parte de seus processos de inovação aberta. No artigo Novas Formas de Engajamento entre Corporações e Startups 🚀explico melhor como este processo pode acontecer de forma harmônica, equilibrada e efetiva.

Segundo o Relatório da Distrito do segundo semestre de 2018, a pesquisa selecionou e analisou 224 startups envolvidas com Indústria 4.0 no Brasil, considerando nove categorias: Internet da Coisas (IoT)/Sensores/Monitoramento (64), Energia (51), Big Data & Analytics (30), Inteligência Artificial (IA)/Machine Learning (22), Robótica e Drones (18), Logística (17),  Realidade Virtual (RV) & Realidade Aumentada (RA) (9), Automação (7), Escaneamento digital e Impressão 3D (6). No relatórios diversas startups se destacaram, como: Intelup (IoT) de 2015, CUBi (Energia) de 2016, Horus (Robótica & Drones) de 2014, Kunumi (IA e Aprendizado de Máquina) de 2016, Techplus (Automação) fundada em 1994, Logpyx (Logística) de 1994, 3D Criar (Impressão 3D) de 2015, Intelie (Big Data & Analytics) de 2008, e Virtual Eye (RV & RA) de 2016.

Indo um pouco mais fundo

À medida que os processos físicos são digitalizados, ou seja, representados e controlados no mundo cibernético, os dados se tornam cada vez mais importantes. Conceitos como “gêmeo digital”,  uma réplica digital de uma entidade física, são usados ​​para otimizar sistemas ciber-físicos, ou seja, sistemas incorporados que integram computação, comunicação e processos físicos  – que podem variar em complexidade, desde um único chip de microcontrolador a dispositivos complexos de várias partes e estão permitindo a representação e o controle digital. Em vez de dispositivos de uso geral, eles geralmente são criados para uma tarefa específica, com energia computacional relativamente baixa e comunicação sem fio de baixa potência.

A Indústria 4.0 está pronta para afetar a indústria de transformação de maneira geral, pois assim como os sistemas variam em complexidade e tamanho, o mesmo ocorre com os fabricantes. Enquanto as implementações mais recentes e intrincadas da Indústria 4.0 só podem ser implementadas de maneira viável por grandes fabricantes de escala corporativa, pequenos e médios fabricantes podem ter ainda mais a ganhar. Novos recursos podem ser etapas de produção que só poderiam ser executadas manualmente antes – como tarefas que exigem controle de força sensível – ou etapas de produção que não podiam ser executadas, como certas peças produzidas por meio de desenho assistido por computador e impressão 3D. Isso hoje pode ser tão simples quanto converter processos baseados em papel em digitais, extrair mais dados de sensores de máquinas e executar análises básicas em dados armazenados na nuvem.

Análise de Big Data e Inteligência Artificial

Com a ampla implantação de sensores e dispositivos inteligentes nas fábricas atuais, são coletadas grandes quantidades de dados. Esses conjuntos de dados são chamados de big data, que é caracterizado por quatro propriedades: volume, velocidade, variedade e valor:

• Volume representa a geração e o armazenamento de grandes quantidades de dados.
• Velocidade refere-se à taxa de renovação dos pontos de dados e sua análise oportuna.
• Variedade indica os tipos de dados estruturados e não estruturados coletados de diferentes fontes.
• Valor refere-se às informações ocultas armazenadas nesses conjuntos de dados. Para agregar valor ao usuário final, os dados precisam ser convertidos usando a análise em insights acionáveis ​​que orientam as decisões de negócios.

Na indústria, tais dados são coletados por meio de sensores e sistemas ciber-físicos (CPS). São extraídos de processos industriais, depois armazenados, processados e analisados por meio de algoritmos de aprendizado de máquina e, no final do ciclo, convertidos de volta ao processo de produção.

Sensores e Internet das Coisas 

Os sistemas de sensores são partes essenciais de fábricas inteligentes. Eles combinam sensores, microprocessadores e tecnologia de comunicação sem fio. Uma coleção destes sensores inteligentes é capaz de converter uma ampla variedade de entradas, como temperatura, pressão, umidade, peso, deslocamento de gás e vibrações em dados e transmiti-los através da rede.

Análise de vibração, por exemplo, pode ser usada para detectar defeitos que podem levar à falha do material. Devido às suas capacidades de rede, os sensores podem trabalhar juntos, sendo colocados em várias posições ao lado de uma placa vibratória. Os sensores mecânicos são conectados com sensores ópticos para cruzar os dados vibracionais de referência com uma inspeção visual. Embora os dispositivos em linha para controle de qualidade, como câmeras, existam há muito tempo, os ganhos em velocidade de análise e a resolução dos dados do sensor agora tornam possível o controle de defeitos em tempo real. Na Indústria 4.0, são necessários menos humanos para permanecer na fila e examinar os produtos. A verificação de erros era sempre demorada e nunca estanque. Agora, ela pode ser automatizada e executada com mais velocidade e precisão do que os humanos podem alcançar.

Computação de borda (edging computing)

Os dados coletados pelos sensores inteligentes conectados ao processo de produção precisam ser analisados. Eles podem ser enviados e computados na nuvem ou podem ser processados na “borda”. Uma quantidade esmagadora de dados pode entupir a banda de conexão e até sobrecarregar a nuvem. Esse é um dos principais motivos para usar uma arquitetura de computação distribuída que visa processar fluxos de dados em sua origem.

As arquiteturas de rede Industrie 4.0 mais avançadas são baseadas em “computação de borda” e não em computação exclusiva em nuvem. Uma primeira onda de processamento e filtragem dos dados recebidos é realizada no local em que são coletados, aliviando os sistemas de computação e reduzindo a latência. As informações transmitidas para a nuvem são sintéticas e mais apropriadas para análise de dados e gráficos em alto nível e tomada de decisão estratégica de negócios.

Conectividade

A tecnologia de comunicação sem fio é de fundamental importância para conectar sistemas digitais e físicos. Avanços significativos foram feitos no desenvolvimento de sensores para permitirem protocolos de comunicação eficientes e de baixo custo. Atualmente, o protocolo mais usado para comunicação sem fio é o protocolo WirelessHART (Transdutor Remoto Endereçável por vias rápidas). Lançado em 2007, contam com mais de 30 milhões de dispositivos conectados. No entanto, devido à crescente demanda de redes sem fio, surgiu a demanda por uma atualização. A extensão em que os sistemas ciber-físicos podem transferir e comunicar dados é significativamente aumentada através de redes 5G. As redes mais novas terão uma capacidade muito maior do que as atuais redes LTE ou sem fio, e as velocidades de transmissão são prometidas 100 vezes mais rápidas e com baixa latência – menos de um milissegundo. Mais ainda, 5G consegue fornecer essa capacidade em um ambiente saturado de sensores, como por exemplo, em uma planta com milhares de dispositivos.

Dessa forma, o 5G permite vigilância remota por vídeo HD, ou monitoramento e feedback em tempo real entre sensores e hidráulica, por exemplo. No piso, as medições de temperatura em tempo real podem ser comunicadas à fornos e prensas hidráulicas, para ajustar conforme necessário. Se a umidade mudar, a pressão cair ou a temperatura subir um pouco, todas as variáveis ​​de produção são ajustadas de acordo. Isso garante uma alteração mínima nas especificações técnicas dos produtos. As redes 5G locais possibilitam que componentes de produção inteligentes se comuniquem localmente entre si – sem a necessidade de instalar cabos de barramento de campo e configurar os participantes da comunicação. Isso facilita a movimentação e alteração de diferentes componentes do processo de fabricação. Também aumenta a confiabilidade da rede e promete reduzir o custo do dispositivo e o uso de energia. A rede 5G permite que funções anteriormente localizadas no nível de controle central sejam movidas para os nós de extremidade, permitindo que os sistemas do controlador sejam mais enxutos. A velocidade geral é aumentada pelo pré-processamento e a segurança é aprimorada pelo armazenamento descentralizado.

Componentes são sem fio são fáceis de mover, usando-se um conceito como a produção de matrizes. Tal produção permite produzir várias peças intercambiáveis ​​em um único sistema, permitindo maior variedade de tipos, mudanças mais frequentes de modelos e flutuações de quantidade na produção. Agora, quando um novo modelo de produto é introduzido, não há necessidade de alterar e otimizar todo o piso de fabricação. O design dos sistemas modulares e sua colocação no chão podem ser simplesmente alterados. Isso permite oferecer personalização pessoal ao custo da produção em massa.

Fabricação assistida por computador e gêmeos digitais

A crescente importância da customização e personalização levou a mudanças no comportamento de consumidores e produtores. O conceito de manufatura auxiliada por computador faz parte do processo de fabricação. Avanços adicionais nas ferramentas de modelagem, simulação e design auxiliado por computador, combinados com o desenvolvimento contínuo de práticas de fabricação aditiva (impressão 3D) e subtrativa, como, usinagem de controle numérico (CNC) tornaram possível criar formas e produtos anteriormente inviáveis, tanto física quanto economicamente.

O monitoramento e feedback em tempo real são assistidos pelo gêmeo digital (também chamado de ‘sombra digital’). Introduzido em 2002 por Michael Grieves, “digital twin” significa o uso de modelos digitais de objetos físicos para simular o comportamento de um processo de fabricação real. Combina um processo físico com um equivalente digital para otimização em um ambiente virtual. Dados do mundo real, coletados do processo de impressão e fabricação, são transmitidos ao sistema, modelado para concluir simulações, validar o sistema e ajustá-lo dinamicamente quando necessário.

As peças personalizáveis ​​agora podem ser produzidas em massa nas impressoras 3D de última geração. Elas são capazes de executar análises de qualidade em tempo real e ajustarem-se em tempo real usando sensores e visão computacional. Quando a impressão está com defeito, os problemas são processados ​​para otimizar a produção. Os materiais são otimizados para processamento em lote e, por meio de design compacto e modular, o espaço de produção necessário para as impressoras é minimizado. Os avanços na ciência dos materiais levaram as peças impressas a se tornarem tão fortes quanto as moldadas por injeção para determinadas aplicações.

Um produto pode ser impresso em 3D nos polímeros da mais alta qualidade, ajustados ao comprimento de uma peça ou tamanho da mão de quem irá usar, por exemplo.

Colaboração com robôs humanos e aprimoramento das capacidades humanas.

Os robôs usados ​​nesses processos ganharam papéis cada vez maiores. Eles estão se tornando mais autônomos, mais flexíveis e mais cooperativos. Para facilitar o próximo passo na interação homem-máquina, robôs colaborativos (cobots) foram adotados na indústria. Eles têm uma função a desempenhar no campo entre trabalho manual (assistido) e produção totalmente automatizada.

Os robôs colaborativos permitem novas oportunidades nas quais o trabalhador humano está no mesmo espaço de trabalho, com sistemas de robótica que auxiliam em operações não ergonômicas, repetitivas, desconfortáveis ​​ou até perigosas. Um cobot pode verificar, otimizar e documentar os resultados de seu próprio trabalho enquanto estiver conectado à nuvem. Graças aos sistemas integrados de sensores e comunicação, um cobot pode colaborar diretamente com seus “colegas” humanos, manipular com segurança produtos sensíveis e não requer um espaço protegido. Para realmente trabalharem juntos, eles são programados para garantir que seu comportamento possa ser ajustado ou alterado pelos operadores e que eles estejam cada vez mais conscientes dos seres humanos em situações em que homem e máquina dependem um do outro. Isso, em contraste com os robôs industriais “burros”, que continuarão repetindo movimentos pré-programados, independentemente do que está em seu caminho.

Esses ambientes de trabalho colaborativo são ainda suportados pela tecnologia de realidade aumentada (AR) e realidade virtual (VR). A AR/VR oferece aos humanos a capacidade de exibir suas etapas ou solicitar suporte virtual, de uma IA ou de especialistas humanos trabalhando remotamente. Eles podem receber feedback visual imediato, reduzindo a necessidade de lembrar sequências complexas.  Óculos AR podem indicara aos trabalhadores o tamanho e a posição corretos de todos os parafusos usados na montagem final. Produtos acabadas podem ser movidos por um cobot em uma plataforma autônoma, prontos para serem embalados e enviados.

Considerações finais

Estamos rumo à indústria do futuro. Os tempos modernos exigem processos capazes de executar sem interferência humana. Em caso de crise, contamos com a produção industrial para continuar. Para nos alimentar, apoiar nossa infraestrutura ou fornecer meios de transporte. A manufatura não está mais vinculada a uma única disciplina. Tornou-se parte da sociedade em que cientistas da computação trabalham em conjunto com engenheiros. Um lugar onde a inteligência artificial encontra os trabalhadores da linha de produção. É provável que o valor total da Industrie 4.0 seja realizado nas próximas décadas e certamente veremos fábricas melhores, mais adaptadas e inteligentes nos próximos anos.

Pessoalmente, defendo que as organizações comecem criando uma cultura digital e caminhando para uma transformação digital que abrirá o caminho para a Indústria 4.0.

Se gostou, por favor, compartilhe. Abraço, Ɲεi Ԍяαn∂σ (@neigrando)

Sobre mim: aqui, Contato: aqui.

Convite:

Assista o Talk Show: “Brasil rumo a indústria 4.0” –  (vídeo Youtube da gravação do que ocorreu em 2 de julho de 2020, via movimento #produzirnoBrasil)

Referências:

• INDUSTRIA40.GOV.BR – Agenda brasileira para a Indústria 4.0
• MCTI.GOV.BR – “MCTI e Finep anunciam edital de R$ 50 milhões para tecnologias 4.0” (notícia de: 18/06/2020)
• Silva, Elcio B.; Scoton, Maria L. R.P.D.; Pereira, Sérgio L.; Dias, Eduardo M. Automação e Sociedade. Brasport, 2018.
• Wevolver. Industrie 4.0 Deep Dive. Part 1: Introducing Smart Manufacturing. April 1, 2020.
• Distrito / KPMG. Indústria 4.0 Mining Report. 2018.

 Artigos Relacionados:

• Posição do Brasil nos Índices Globais de Empreendedorismo, Inovação e Competitividade
• Transformação Digital – Por que, o que, e como fazer
• Por uma Cultura Organizacional +Digital
• Novas Formas de Engajamento entre Corporações e Startups 🚀

Vídeos:

• Indústria 4.0: Preparados para revolução? (Deloitte, 2018)
• Fábrica Fiat (MG) – Indústria 4.0 – Manufatura 2020
• Talk Show: “Brasil rumo a indústria 4.0” –  (via movimento #produzirnoBrasil)