Tendências Tecnológicas de Modernização na Indústria ... · Mariano Ramos, Daniel Tend^encias...

TENDENCIAS TECNOLOGICAS DE MODERNIZACAO NA INDUSTRIA

METALOMECANICA: O CASO DOS SENSORES

Daniel Mariano Ramos

Projeto de Graduacao apresentado ao Curso

de Engenharia Mecanica da Escola Politecnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessarios a obtencao do

tıtulo de Engenheiro.

Orientador: Ricardo Manfredi Naveiro

Rio de Janeiro

Fevereiro de 2017

Mariano Ramos, Daniel

Tendencias Tecnologicas de Modernizacao na Industria

Metalomecanica: O Caso dos Sensores/ Daniel Mariano

Ramos. – Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politecnica, 2017.

XIII, 101 p.: il.; 29, 7cm.


Projeto de Graduacao – UFRJ/ Escola Politecnica/

Curso de Engenharia Mecanica, 2017.

Referencias Bibliograficas: p. 85 – 91.

1. Tecnologias de Fabricacao. 2. Manufatura

Avancada. 3. Sensores. 4. Engenharia Mecanica. I.

Manfredi Naveiro, Ricardo. II. Universidade Federal do

Rio de Janeiro, UFRJ, Curso de Engenharia Mecanica.

III. Tendencias Tecnologicas de Modernizacao na Industria

Metalomecanica: O Caso dos Sensores.

iii

“The music of this awe

Deep silence between the notes

Deafens me with endless love

This vagrant island Earth

A pilgrim shining bright

We are shuddering

Before the beautiful

Before the plentiful

We’re the voyagers.

A musica desta ad-

miracao-temor

Profundo silencio entre notas

Ensurdece-me em sem-fim amor

A Terra, esta vadia ilha

Peregrina luminosa, brilha

Trememos

Ante a beleza

Ante a abundancia

Somos nos os viajantes”

– Tuomas Holopainen

Para Nathally, Nadia, Juliana e

Manoel

iv

Agradecimentos

Agradeco primeiramente a meu orientador, professor Ricardo Naveiro, cujo apoio,

disposicao, material e ensinamentos foram basilares para este trabalho. Pelas di-

versas conversas construtivas ao longo destes anos de parceria, minha admiracao e

respeito.

Agradeco a Deus, que me guiou e sustentou em Seu Nome por todos esses anos

de aprendizado e crescimento pessoal e espiritual. Por Seu amor, minha fe.

A meu pai, Manoel, que e e sempre sera meu exemplo de profissional e pessoal.

Obrigado por me mostrar que e, sim, possıvel realizar o sonho de crianca de se tornar

um “cientista maluco”. Por seu exemplo, minha inspiracao.

A minha mae, Nadia, por todas as conversas e orientacoes, pelo amor incondici-

onal e por me mostrar que a vida deve ser vivida aproveitando cada dia. Por suas

confidencias, minha alegria.

A minha irma, Juliana, por acreditar em mim, e querer compartilhar comigo as

novas experiencias que a vida nos traz. Por sua parceria, meu apoio.

A Nathally, minha amiga, depois namorada, noiva e hoje amada esposa. Por

tudo, somos um.

Agradeco ao Cadu, Ed e Arthur, que me acompanharam ombro a ombro nessa

caminhada. Por cada risada, por cada discussao, por cada plano compartilhado,

minha eterna amizade.

v

Resumo do Projeto de Graduacao apresentado a Escola Politecnica/UFRJ como

parte dos requisitos necessarios para a obtencao do grau de Engenheiro Mecanico

TENDENCIAS TECNOLOGICAS DE MODERNIZACAO NA INDUSTRIA

METALOMECANICA: O CASO DOS SENSORES


Fevereiro/2017


Programa: Engenharia Mecanica

Atraves de propostas como a Manufatura Avancada e a Industria 4.0, busca-se

dar inıcio a uma nova revolucao industrial, almejando maiores nıveis de produti-

vidade e eficiencia. Aproveitando-se dos mais recentes avancos da tecnicos e de

uma serie de mudancas nas relacoes de consumo desde o final do seculo XX, a

manufatura e a producao mecanica tem hoje a inovacao como um de seus preceitos

fundamentais. As principais tecnologias atreladas aos grandes arranjos produtivos

sao identificados, demonstrando-se assim alguns padroes de inovacao dentro da

producao mecanica. Destacam-se as tecnologias desenvolvidas mais recentemente.

Destacam-se os sensores e redes, primordiais para a integracao vertical e horizontal

da producao ora propostas, sendo escolhidos os primeiros como objeto de estudo e

analise. Finalmente, atraves de ferramentas de prospeccao tecnologica, e realizada

uma consulta a duas importantes e abrangentes bases de patentes, apos escolha dos

termos de pesquisa. Dentre os diversos tipos de sensores, dois deles se destacam, os

oticos e magneticos. Sua relacao com os esforcos envidados atualmente na inovacao

na manufatura e explicitada.

Palavras-chave: Tecnologias de Fabricacao; Manufatura Avancada; Sensores;

Engenharia Mecanica.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment

of the requirements for the degree of Mechanical Engineer

TECHNOLOGIC TENDENCIES OF MODERNISATION IN THE

METAL-MECHANIC INDUSTRY: THE SENSOR CASE


February/2017

Advisor: Ricardo Manfredi Naveiro

Department: Mechanical Engineering

As proposed by initiatives such as Advanced Manufacturing and Industry 4.0, a

new industrial revolution is being sought, aiming to achieve higher levels of produc-

tivity and efficiency. Making use of the most recents technical advances and a series

of shifts in the consume relations occurred from the final years of the XX century,

the manufacture and mechanical production have, nowadays, innovation as one of

its fundamental precepts. The main technologies linked to the great production

systems are identified, showing through this relations some patterns in innovation in

mechancial production. The most recently developed technologies are highlighted.

Sensors and networks are underlined, being of paramount importance to the vertical

and horizontal integration propose. The first are chosen a study and analysis

object. Finally, through technological prospection tools, a search in two important

and comprehensive patents databases is conducted, after choosing the search terms.

Among the diverse sensor types, two of them stand out, the optical and magnetical

sensors. Their relation to the efforts made in manufacturing innovation is explicited.

Keywords: Manufacturing Technologies; Advanced Manufacturing; Sensors;

Mechanical Engineering.

vii

Sumario

Lista de Figuras xi

Lista de Tabelas xiii

1 Introducao 1

1.1 Apresentacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Motivacao Pessoal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Justificativa e Relevancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5 Estrutura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 Manufatura Avancada e Manufatura Enxuta (Lean Manufacture) 6

2.1 Conceituacao da Manufatura Enxuta . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Conceito de Manufatura Avancada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.1 Mudancas nos Modelos de Negocio . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2.2 Diferencas entre Manufatura Avancada e Industria 4.0 . . . . 12

3 Inovacao na Producao Mecanica 15

3.1 A Produtividade Manual, Tecnologias de Fabricacao e as Revolucoes

Industriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2 Producao em Massa e Automacao Rıgida . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.2.1 Taylor e a Administracao Cientıfica . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.2.2 Ford e a Linha de Montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2.3 Automacao Rıgida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3 Manufatura e Automacao Flexıvel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.3.1 Produtividade e Integracao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

viii

3.3.2 Produtividade e Flexibilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.4 Avancos Recentes em Manufatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.5 Selecao de Tecnologias para Prospeccao Tecnologica . . . . . . . . . . 34

3.6 Sensores na Manufatura Avancada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4 Sensores: Emprego, classificacao e integracao 41

4.1 Emprego de Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2 Classificacao de Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.3 Integracao dos Sensores: Redes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.4 Tipos de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.4.1 Sensores Mecanicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.4.2 Sensores Fotoeletricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.4.3 Sensores Termicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.4.4 Sensores Ultrassonicos – Acusticos . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.4.5 Sensores Reativos – Eletromagneticos . . . . . . . . . . . . . . 50

5 Prospeccao Tecnologica e Uso de Patentes 54

5.1 Prospeccao Tecnologica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.2 Uso de Patentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.2.1 Definicao, Tipos e Sistemas de Patentes . . . . . . . . . . . . . 56

5.2.2 Patentes como Informacao Tecnologica e Competicao . . . . . 58

5.3 Mineracao de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.4 Analise da Maturidade Tecnologica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.5 Bases de Patentes e Metodo de Pesquisa . . . . . . . . . . . . . . . . 64

6 Mecanismo de Busca e Resultados 66

6.1 Escolha dos Termos de Busca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

6.2 Resultados Consolidados de Buscas de Patentes . . . . . . . . . . . . 69

6.2.1 Pesquisa na Base de Dados do USPTO . . . . . . . . . . . . . 69

6.2.2 Pesquisa na Base de Dados Espacenet . . . . . . . . . . . . . . 73

6.3 Discussao dos Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

7 Conclusao e Consideracoes Finais 81

7.1 Conclusao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

ix

7.2 Consideracoes Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Referencias Bibliograficas 85

A Tabelas com Dados da Prospeccao Tecnologica 92

A.0.1 Base de dados do USPTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

A.0.2 Base de dados Espacenet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

I Roteiro de Busca nos Bancos de Patentes 97

x

Lista de Figuras

2.1 Equipamentos do DMDII. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Equipamento de Manufatura Aditiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Concepcao Tradicional de Manufatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.1 Revolucoes Industriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.2 Turbina Parsons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.3 Fresa CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.4 Modelo T em montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.5 Tabela de velocidades de um torno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.6 Tipos de operacoes de manufatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.7 Capecotes de um centro de usinagem CNC. . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.8 Nıveis hierarquicos da automacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.9 Visao das Fabricas Inteligentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.1 Sistema de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2 Chaves de fim de curso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.3 Sensores Fotoeletricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.4 Exemplo de termopar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

4.5 Sensor Ultrassonico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.6 Sensores Indutivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.7 Sensores Capacitivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.1 Curva S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.2 Relacao entre curva-s e outros parametros . . . . . . . . . . . . . . . 63

6.1 Sensores Oticos USPTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

6.2 Sensores Eletricos USPTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

xi

6.3 Sensores Magneticos USPTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

6.4 Sensores Acusticos USPTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.5 Sensores Termicos USPTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6.6 Sensores Mecanicos USPTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.7 Sensores Oticos Espacenet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.8 Sensores Eletricos Espacenet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

6.9 Sensores Magneticos Espacenet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6.10 Sensores Acusticos Espacenet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

6.11 Sensores Termicos Espacenet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

6.12 Sensores Mecanicos Espacenet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

6.13 Comparativo entre tecnologias de sensores – USPTO . . . . . . . . . 79

6.14 Comparativo entre tecnologias de sensores – Espacenet . . . . . . . . 79

xii

Lista de Tabelas

3.1 Tecnologias da Manufatura Avancada . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6.1 Resultados pelo CPC versus metodo do autor . . . . . . . . . . . . . 68

6.2 Quadro-Resumo do Levantamento de Patentes . . . . . . . . . . . . . 78

xiii

Capıtulo 1

Introducao

1.1 Apresentacao

Em 2012, o setor Industrial correspondia a 22,06% do PIB nacional, sendo a regiao

Sudeste responsavel por 58,20% desta producao[1]. Considerando-se todo o conjunto

das Industrias de Transformacao, a receita bruta destas em 2014 foi de 2,89 trilhoes

de reais, segundo o IBGE[2]. Estas industrias, para se manterem competitivas no

mercado, devem manter-se atualizadas em termos de processos de fabricacao.

A crise que se seguiu trouxe um grande decrescimo nestas receitas, com o Fatu-

ramento Real Dessazonalizado das Industrias de Transformacao caindo a uma media

de 1,5% ao mes para o perıodo de setembro de 2015 a outubro de 2016, de acordo

com a CNI (Confederacao Nacional Da Industria)[3]. Esta mesma crise, no entanto,

acaba por aumentar uma pressao sobre as empresas no sentido de se manterem atu-

alizadas e em dia com as mudancas que estao ocorrendo no paıs e mundialmente, de

forma a se manterem vivas e competitivas no cenario nacional e internacional. Nesse

sentido, um serio esforco pode ser notado por diversas frentes, tanto na iniciativa

privada como no setor publico.

O momento atual e de uma intensa evolucao industrial, que se caracteriza pela

confluencia, integracao e digitalizacao de tecnologias maduras e de vanguarda, se-

gundo o Ministerio da Industria, Comercio Exterior e Servicos (MDIC) [4]. Os sinais

de tal confluencia podem ser vistos na grande expansao da Internet das Coisas (IoT,

do termo em ingles Internet of things), que permite uma integracao entre diver-

sos dispositivos presentes na vida cotidiana [5]. Para alem desta integracao, estes

1

mesmos dispositivos inteligentes coletem dados de uso e mesmo habitos e interesses

dos usuarios de forma a fornecer as companhias que os fabricam informacoes que

direcionam a venda e a producao desta, quando analisados em conjunto. Tal volume

de informacao so e possıvel de ser processada e transformada em dados relevantes e

significativos pelo uso de tecnicas de big data[6].

Todo o volume de informacoes geradas nao apenas oferece material que embase

e direcione decisoes estrategicas das empresas, mas comecam a mudar a maneira

de se oferecer o produto. Neste ponto, e possıvel deixar de adaptar produtos para

segmentos de consumidores, mas comeca-se a personalizar o que e ofertado para

cada indivıduo, em escalas muito maiores e com precos que permitem atingir um

enorme publico. Essa personalizacao de massa depende de diversos fatores, sendo

os mais importantes[7] (traducao do autor):

1. Desenvolvimento de tecnologias da informacao como peer to peer, business to

consumer e Web 2.0.

2. Disponibilidade praticamente universal de internet.

3. Disposicao e aptidao, por parte dos usuarios, em serem integrados no processo

de cocriacao e co-design do produto.

4. Sistemas de manufatura modernos, (...).

5. Ferramentas de personalizacao de massa como modularidade e diferenciacao

tardia, que contribuem para reduzir o custo de fabricacao e o tempo do ciclo

de producao.

6. Implantacao de softwares especıficos de satisfacao do cliente, chamados de

gerenciamento de relacionamento com o cliente, que possam levar a retencao

dos mesmos.

No presente estudo sera estudado, especificamente, como as mudancas que afe-

tam toda essa logica de consumo influenciam nas tecnologias de fabricacao metalo-

mecanica. Podem ser ressaltados, destarte, alguns avancos que ja estao implemen-

tados, como as maquinas e centros de Comando Numerico Computacional (CNC)

e a Manufatura Aditiva, em sua diversidade de tecnicas. Tais tecnologias levam,

2

hoje, a uma reorganizacao da producao que permite, para alem da personalizacao

de massa, uma integracao do chao-de-fabrica com os nıveis gerenciais, e mesmo com

o consumidor, em tempo real. Isto se deve a facilidade com que tais equipamentos

tem de ser operados via redes eletronicas e o seu elevado grau de sensoriamento,

intrınseco ao seu funcionamento.

Com vistas a fazer uma previsao de como tais tecnologias evoluirao nos proximos

anos, utilizar-se-ao metodos cientıficos, consolidados pelo conhecimento dos Estudos

do Futuro. Tais tecnicas, hoje, ja sao utilizadas nao apenas na academia como

tambem por grandes empresas, na esperanca de direcionar seus esforcos de Pesquisa

e Desenvolvimento (P&D) e investir em tecnologias que darao as mesmas vantagens

de mercado [8].

1.2 Motivacao Pessoal

Ao longo de sua graduacao em Engenharia Mecanica, o autor teve contato com

alguns meios produtivos tanto na disciplina de Tecnologia Metalurgica, da qual foi

monitor por um ano, como em um de seus estagios, na gerencia de fabricacao e

montagem de um estaleiro. A juncao de estudo da teoria (na monitoria) com a

aplicacao pratica do conhecimento instigou-o a saber mais a respeito da area.

A partir daı e em conversas com seu orientador, surgiu o interesse por entender

um pouco melhor qual o estado da arte das tecnologias e processos de fabricacao

metalomecanica. Finalmente, acabou se interessando pelo estudo da Manufatura

Avancada, principalmente apos participar de um seminario no Banco Nacional do

Desenvolvimento Economico e Social (BNDES)1 . O tema do Trabalho de Conclusao

de Curso (TCC) foi escolhido tambem como culminancia de tal interesse.

1.3 Justificativa e Relevancia

No presente momento, setores industriais brasileiros estao buscando pensar e se po-

sicionar quanto a uma proxima Revolucao Industrial que se avulta para os proximos

anos[4], e para a qual ja existem projetos no exterior como o Industrie 4.0 na

1Seminario BNDES de Manufatura Avancada, realizado no dia 28 de Novembro de 2016 no

Edifıcio Ventura, Rio de Janeiro (RJ)

3

Alemanha[9] ou o Manufacturing USA nos Estados Unidos[10]. Todas estas inici-

ativas tem em comum a busca por novas tecnologias de fabricacao que permitam

as industrias permanecerem competitivas em um cenario onde a personalizacao de

massa e buscada[11].

Nesse sentido, a compreensao do estado de desenvolvimento das tecnicas de fa-

bricacao utilizadas na industria metalomecanica brasileira figura como um estudo

relevante ao graduando em Engenharia Mecanica. Um profissional que compreende

qual a realidade das industrias do paıs e do mundo, provavelmente seus futuros em-

pregadores, quais os desafios por eles enfrentados e quais as tendencias tecnologicas

pelas quais os processos de fabricacao devem se desenvolver nos proximos anos, e

alguem que pode contribuir ativamente para o desenvolvimento daquela empresa e,

em uma patamar mais amplo, para o desenvolvimento socioeconomico do paıs.

1.4 Objetivo

O objetivo geral do presente trabalho e identificar tendencias tecnologicas em sen-

sores na industria de fabricacao mecanica, quando comparado com o padrao de

manufatura avancada que esta sendo planejado na Europa e USA. Para tanto, ira

se concentrar em algumas tecnologias quando do estudo de prospeccao tecnologica.

Dentre os objetivos especıficos, podem ser citados:

• Identificar, atraves de uma revisao historica, o estado da tecnica atual em

termos de tecnologias de manufatura;

• Apresentar as tecnicas de estudo de tendencias e, em especıfico, a prospeccao

tecnologica;

• Mapear e caracterizar, de forma geral, alguns dos principais atores em termos

de inovacao tecnologica e avanco da tecnica de manufatura;

• Selecionar, dentre as tecnologias envolvidas com a Manufatura Avancada, uma

para objeto de estudo, que se aplique a industria metalomecanica;

• Apresentar uma classificacao dos sensores, tecnologia escolhida, quanto a gran-

deza medida;

4

• Dentro de tal classificacao, identificar aquela tecnologia que apresenta maior

tendencia de desenvolvimento nos proximos anos.

1.5 Estrutura

Este TCC e iniciado caracterizando-se o conceito da Manufatura Avancada e como

esta se difere e e um avanco em relacao a Manufatura Enxuta (Lean Manufacture)

no Capıtulo 2. Alem da caracterizacao do conceito, sao identificados os principais

avancos tecnologicos ja presentes e sendo implementados na industria.

O Capıtulo 3 sera dedicado ao estudo de como vem ocorrendo a modernizacao da

Industria Metalmecanica nos ultimos 30 anos. Compreendendo-se os ultimos avancos

que ocorreram na organizacao da producao e nas tecnicas de fabricacao, ver-se-a

como esse padrao resulta na Manufatura Avancada, especificando a natureza dessa

evolucao. Tambem neste capıtulo e feita a selecao da tecnologia a ser estudada, de

acordo com os criterios apresentados, a saber, os sensores.

No Capıtulo 4, sera feita uma revisao a respeito de sensores, seu funcionamento,

classificacao e integracao. Dos diversos tipos de classificacao, um deles e escolhido

para compor os termos de busca. Tambem e mostrado como a integracao destes

sensores em redes, nas fabricas, com arquiteturas cada vez mais complexas, esta

inserida no contexto da Industria 4.0.

O Capıtulo 5 sera dedicado a uma rapida revisao das tecnicas disponıveis, atraves

de tecnicas de prospeccao tecnologica e mineracao de dados, para prever e identificar

tendencias tecnologicas. Em seguida uma delas sera escolhida para ser aplicada a

uma tecnologia, relacionada a fabricacao mecanica, hoje presentes na industria,

visando identificar qual delas tem maior potencial de resultar em breakthroughs na

area.

No Capıtulo 6, sera apresentado o mecanismo de busca, com os criterios de ava-

liacao de cada entrada possıvel, serao mostrados os resultados e ressaltadas algumas

caracterısticas e pontos de interesse ja identificados

No Capıtulo 7, sera feita uma discussao dos resultados, apresentando-se a seguir

as conclusoes feitas e algumas outras consideracoes.

5

Capıtulo 2

Manufatura Avancada e

Manufatura Enxuta (Lean

Manufacture)

2.1 Conceituacao da Manufatura Enxuta

Para melhor compreensao a respeito das inovacoes e mudancas propostas pela ma-

nufatura avancada, e importante compreender-se o estado atual da industria de

manufatura. Nesse sentido, destaca-se especialmente o Sistema Toyota de Producao

(TPS, do ingles Toyota Production System), tambem chamado de Toyotismo, grande

marco da industria, apos o Fordismo. Tal sistema, nascido na primeira metade do

seculo XX, propos uma serie de melhorias que levaram a uma aumento sensıvel na

eficiencia de producao, e estabeleceu diversos paradigmas de producao mecanica ate

hoje presentes, como o Kanban e a logica Just-In-Time.

Esse sistema comecou a ser implementado na decada de 40, apos a visita de

dirigentes da Toyota (entao chamado de Grupo Toyoda) a fabricas da Ford nos

Estados Unidos da America (EUA). Em seu retorno ao Japao, os mesmos chegaram

a conclusao que o sistema americano era inadequado a realidade japonesa, com

muito menor disponibilidade de espaco e diferentes praticas no trabalho. Juntamente

com um de seus principais engenheiros, Taiichi Ohno, o fundador Sakichi Toyoda e

seu filho Kiichiro Toyoda desenvolveram um sistema baseados em alguns princıpios

simples mas abrangentes. Muito tempo depois, no inıcio dos anos 90, a propria

6

empresa lancou um livro [12] que detalhava e dava uma visao geral sobre os principais

conceitos e praticas, nao sendo, contudo, um manual de implementacao do TPS. O

fragmento a seguir traz os pontos considerados fundamentais no TPS [12] (traducao

do autor):

“O TPS e uma estrutura para conservar recursos pela eliminacao

do desperdıcio. Pessoas que participam desse sistema aprendem a iden-

tificar despesas com material, esforco e tempo que nao ira gerar valor

para clientes e temos, ademais, evitado uma abordagem de ’como fazer’.

Este livreto nao e um manual. Antes, e uma visao geral dos conceitos

que embasam nosso sistema de producao. E um lembrete que ganhos

duradouros em produtividade e qualidade sao possıveis sempre e onde

gerencia e empregados estao unidos e comprometidos com mudancas po-

sitivas.”

No mesmo livreto, a propria empresa detalha quais sao os dois principais pilares

conceituais de sua producao, a saber:

• Just-in-time - que significa “Fazer apenas o que e necessario, somente quando

for necessario e somente na quantidade necessaria”.

• Jidoka - (Autonomacao) que significa “Automacao com um toque humano”.

Finalmente, pode-se citar a inversao da logica produtiva do TPS em relacao ao

sistema de producao em massa, a saber, o Fordismo. Neste, a producao e “empur-

rada”, ou seja, a completacao de uma etapa do processo desencadeia a outra, sendo

recolhido o produto final a estoques. Naquele, contudo, a linha de producao e “pu-

xada”, isto e, quando uma etapa mais a jusante do processo produtivo demanda,

a etapa anterior executa o servico ou entrega o produto necessario, solicitando a

etapa mais a montante de si o que precisa para operar, ate o inıcio do processo. Tal

estrategia, bastante alinhada com o conceito de Just-in-Time, leva a uma reducao

dos estoques (e consequentemente do capital ali imobilizado) e necessita de um grau

de eficiencia superior para poder operar corretamente. Ressalta-se, ainda, que o

planejamento estrategico da producao a curto e medio prazos continuam a ser ne-

cessarios, com a diferenca de que agora a producao e planejada a partir das deman-

7

das existentes na fabrica, e nao apenas da capacidade produtiva de equipamentos e

trabalhadores [13].

Esse sistema, desenvolvido ao longo do seculo XX, hoje se apresenta com uma

roupagem mais abrangente e desvinculada da imagem apenas do Grupo Toyota.

Embora esse tambem utilize essa nomenclatura, o lean manufacturing ou manufatura

enxuta e uma instituicao independente, organizada nos Lean Institutes ao redor do

mundo. Tambem chamada de producao enxuta, segundo Nazareno, Rentes e Silva

[14]:

“A producao enxuta surgiu como um sistema de manufatura cujo

objetivo e otimizar os processos e procedimentos atraves da reducao

contınua de desperdıcios, como, por exemplo, excesso de inventario en-

tre as estacoes de trabalho, bem como tempos de espera elevados. Seus

objetivos fundamentais sao a qualidade e a flexibilidade do processo,

ampliando sua capacidade de produzir e competir neste cenario globali-

zado.”

Ainda amplamente relevante e atual, a manufatura enxuta vem sendo imple-

mentada em diversas industrias, tendo inclusive aplicacoes em companhias de ou-

tras areas, com o conceito de lean business system ou lean enterprise “a todas as

dimensoes dos negocios de uma organizacao” [15], o que amplia enormemente sua

aplicabilidade e relevancia. No presente trabalho, contudo, sera abordada somente

a vertente de tal filosofia aplicada a industria de producao mecanica.

2.2 Conceito de Manufatura Avancada

O termo Manufatura Avancada, se referindo a um novo paradigma de fabricacao

e manufatura, foi cunhado nos EUA no inıcio do seculo XXI. Embora nao haja

uma definicao rıgida e imutavel deste, uma definicao bastante aceita foi aquela

dada no Relatorio do Conselho Presidencial de Assessores em Ciencia e Tecnologia

para o Presidente dos EUA sobre garantir a Lideranca Americana em Manufatura

Avancada [16]. Neste a Manufatura Avancada e definida como (traducao do autor):

“Uma famılia de atividades que (a) depende do uso e coordenacao

de informacao, automacao,computacao, software, sensoriamento e redes,

8

e/ou (b) facam uso de materiais de ponta e capacidades emergentes pe-

las ciencias biologicas e fısicas, por exemplo nanotecnologia, quımica, e

biologia. Isto envolve tanto novas maneiras de fabricar produtos ja exis-

tentes, como, especialmente, a fabricacao de novos produtos que emerjam

das novas tecnologias avancadas.”

Tal relatorio deu inıcio a iniciativa do Governo chamada inicialmente de Advanced

Manufacturing Partnership (AMP), hoje com o nome de Manufacturing USA [17].

Tal instituicao tem por objetivo coordenar os esforcos de integracao e de Parcerias

Publico-Privadas (PPPs) nos EUA, focadas em inovacao em Manufatura. O esforco

e focado na implementacao de 45 institutos, ao longo de 10 anos, cada um focado em

diferentes tecnologias e tecnicas associadas a ao segmento de Manufatura. Esses irao

congregar universidades e empresas, com o Governo Federal dos EUA igualando os

investimentos destas,em espacos de P&D conjuntos. Alguns destes ja estao em pleno

funcionamento, como o America Makes, focado em Manufatura Aditiva, e o Digital

Manufacturing and Design Innovation Institute (DMDII), focado na aplicacao de

tecnologias de ponta no projeto e nos processos de fabricacao. A Figura 2.1 mostra

alguns dos equipamentos de um destes institutos.

Figura 2.1: Equipamentos do Digital Manufacturing and Design Innovation Insti-

tute.2

9

Tal e o modelo adotado pelos EUA para se inserir nessa nova era da manufatura:

a construcao, atraves de institutos, de espacos onde industria e universidade se

debrucam conjuntamente sobre um dado tema, em prol da Inovacao. Valer ressaltar

que o espaco fısico onde estes estao instalados pode ser dentro da universidade, em

uma das plantas da empresa ou em uma terceira localizacao independente. No caso

do America Makes, este fica dentro da Universidade do Texas em El Paso (Figura

2.2).

Figura 2.2: Equipamento de Manufatura Aditiva do America Makes.3

2.2.1 Mudancas nos Modelos de Negocio

Uma vez que o conceito de Manufatura Avancada e bastante amplo e compreensivo,

e razoavel imaginar que este trara modificacoes profundas tambem na maneira de

fazer negocios, o que certamente tera um grande impacto nos processos de fabricacao.

Pode-se destacar, destarte, a mudanca na compreensao da manufatura do conceito

tradicional, mostrado na Figura 2.3:

Uma das mudancas previstas na Manufatura Avancada e justamente uma con-

cepcao mais ampla de Manufatura, que inclua especificamente as receitas geradas

10

Figura 2.3: Concepcao, de acordo com Groover [18], a respeito da manufatura.4

por servicos de manufatura prestados, isto e, a contratacao de uma empresa para

apenas fabricar o produto de outra; alem do aumento significativo de produtos que

devem ser feitos “sob medida”, customizados para cada encomenda [11]. Apesar do

que possa parecer, tal fato nao sinaliza um processo de desvalorizacao e diminuicao

da presenca da manufatura, pelo contrario. Segundo McKinsey & Company [19]

(traducao do autor):

A nova era da manufatura sera marcada por empresas altamente

ageis e em rede que utilizam informacao e analises (information and

analytics) tao habilmente quanto empregam talentos e maquinario para

entregar produtos e servicos para diversos mercados globais. (...) Nas

economias em desenvolvimento, a manufatura continuara a prover um

caminho para padroes de vida mais elevados. Enquanto companhias e

paıses entenderem a natureza evolutiva da manufatura e atuarem sobre

as grandes tendencias moldando o ambiente competitivo global, poderao

continuar a prosperar neste futuro promissor.

Compreendida, desta forma, a natureza mutavel e evolutiva da manufatura, e

natural esperar que isso reflita diretamente nos processos de fabricacao mecanica.

11

Para que a producao de uma dada empresa possa ter a agilidade necessaria para

entregar produtos altamente personalizados em prazos cada vez mais curtos, precisa

ter domınio sobre um conjunto de equipamentos e tecnicas modernos e ageis. E

tambem de primordial importancia o acesso desta a redes de transmissao de dados,

e sua implementacao dentro de seu processo produtivo, que permitam uma extensa

e intensa integracao dos processos de fabricacao, a ponto de mudancas no projeto

do produto serem efetuadas e tempo real, com participacao ativa do cliente.

Fica claro aqui, que se tal futuro da manufatura ja e esperado ha algum tempo,

ao menos desde 2010, entao certamente houve, por parte dos diversos interessados

nesta area, investimento nessas novas tecnologias (ou aprimoramentos de tecnologias

ja existentes). Muito do que e visto hoje como grandes novidades no ramo meta-

lomecanico sao na realidade resultado do investimento nessas tendencias que ora se

apresentam. Chamar-se-ao, neste trabalho, tais evolucoes de novas tecnologias de

fabricacao mecanica. O padrao de modernizacao da industria metalomecanica, nos

anos mais recentes, sera melhor discutido no Capıtulo 3.

2.2.2 Diferencas entre Manufatura Avancada e Industria 4.0

Um ultimo ponto de atencao que merece ser explorado e a presenca de outros atores

globais nessa esperada 4a Revolucao Industrial. Seria ingenuo esperar um protago-

nismo unico, de quem quer que fosse. Enquanto nos EUA todo esse processo de

ruptura e renovacao de paradigmas esta sendo chamado de Manufatura Avancada,

na Alemanha, outra potencia em termos de industrias com uso intensivo de tecno-

logia, essa evolucao foi denominada de Industria 4.0 (Industrie 4.0 ).

Tal termo apareceu pela primeira vez em 2011, em uma proposta de um grupo

de trabalho que preparasse a industria alema para a revolucao que se aproxima [20].

Enquanto a mera existencia de uma revolucao industrial ainda esta em debate, a

proposta de modernizacao que resultou dos trabalhos de tal grupo e bastante con-

creta, sendo o termo Industria 4.0, portanto, bem especıfico. Sao listadas algumas

das principais propostas deste estudo [21]:

• A Industria 4.0 sera caracterizada por um novo nıvel de interacao entre to-

dos os atores e recursos envolvidos na manufatura. As fabricas inteligentes

12

serao dotadas de recursos de fabricacao autonomos, autoconfiguraveis e sen-

soreados, dispersos espacialmente, capazes de responder autonomamente a di-

ferentes situacoes de acordo com os respectivos sistemas de planejamento e

gerenciamento. Tais fabricas estarao integradas em cadeias de valor de mui-

tas empresas, incluıdos aı os processos de fabricacao bem como os produtos

fabricados, alcancando uma integracao completa do mundo digital com o real.

Desta forma, tornarao a enorme, e crescente, complexidade dos processos de

fabricacao gerenciavel para aqueles que ali trabalham, assegurando adicional-

mente que tal producao seja atrativa, sustentavel e lucrativa, inclusive em

ambientes urbanos.

• Os produtos inteligentes na Industria 4.0 serao individualmente identificaveis

e localizaveis a qualquer instante. Eles saberao detalhes de seus processos de

fabricacao, o que permitira que os controlem semi-autonomamente, alem de

identificar, ao longo da vida util, sinais de desgaste, uma vez que tambem

saberao seus parametros otimos de operacao. Toda essa informacao, aglome-

rada, sera usada para otimizar as fabricas inteligentes em termos de logıstica,

desenvolvimento e manutencao, integrando-se aos sistemas de gestao empre-

sarial.

• Sera possıvel incorporar caracterısticas individuais de cada cliente e especıficas

de cada produto durante as diversas fases de vida do produto. Sera possıvel

inclusive incorporar pedidos de alteracoes de ultima hora, imediatamente antes

ou ate mesmo durante a fabricacao, ou potencialmente durante a operacao

do produto. Sera portanto, possıvel fabricar itens unitarios e em pequenas

quantidades de forma lucrativa.

• A implementacao da Industria 4.0 permitira que sejam configuradas redes

inteligentes de gerenciamento de recursos e processos de fabricacao baseada

em metas situacionais e contextualizadas, o que liberara empregados para se

dedicarem a tarefas criativas, que agreguem valor. Estes terao ainda, contudo,

papel fundamental na garantia da qualidade.

• Consequentemente, para atingir os requisitos de banda-larga para aplicacoes

de uso intensivo de dados e de baixıssimos tempos de transmissao, a Industria

13

4.0 levara e necessitara da expansao da infraestrutura de rede e garantia da

qualidade do servico.

Evidentemente que muitas similaridades sao encontradas entre o que e proposto

nos EUA e na Alemanha. Contudo, uma das principais diferencas entre ambos e

o tipo de estrutura e os meios empregados para se alcancar tal processo inovativo.

Enquanto nos EUA sao criados diversos Institutos especializados em pontos focais

da manufatura avancada, atraves de PPPs, na Alemanha as empresas, principal-

mente de medio porte, sao orientadas quanto aos seus investimentos por um comite

central. Este, chamado de Plataforma Industria 4.0, coordena e determina diretri-

zes para os esforcos de pesquisa e desenvolvimento, criando as pontes necessarias

entre universidades e industrias, bem como gerando mecanismos de integracao para

diferentes empresas envolvidas ao longo da cadeia de geracao de valor.

14

Capıtulo 3

Inovacao na Producao Mecanica

3.1 A Produtividade Manual, Tecnologias de Fa-

bricacao e as Revolucoes Industriais

Desde a primeira revolucao industrial, a busca de engenheiros e inventores e melhorar

a produtividade manual nos diversos processos de fabricacao. Desde o tear, que

deixou de ser manual para se tornar mecanizado e movido a vapor, ate os centros de

fabricacao por comando numerico computacional, a tecnologia caminha no sentido

de de tornar as tarefas de conformar, unir ou dar acabamento ao metal (e outros

materiais) mais rapidas e menos dispendiosas em termos de energia e material. Neste

capıtulo, apresentar-se-a de forma geral os principais sistemas de producao que foram

desenvolvidos ao longo dos ultimos seculos, bem como as dificuldades e desafios que

a eles se apresentaram e como foram superados. Desta forma, objetiva-se identificar

padroes que guiaram a inovacao em termos de tecnologias e tecnicas de fabricacao

mecanica.

Pode-se citar, destarte, as tres grandes revolucoes industriais que representaram

gigantescos saltos em termos de velocidade e eficiencia na fabricacao. A mecanizacao

implementada pela primeira revolucao industrial permitiu novas formas e garantiu

uma certa uniformidade dos produtos, alem de aumentar significativamente a quan-

tidade destes produzida em uma dada unidade de tempo. Com o crescimento das

cidades e das populacoes, e consequentemente do consumo, a energia necessaria

para tal producao tornou-se, na segunda metade do seculo XIX, um limitante desta,

15

uma vez que era obtida fundamentalmente do carvao [22]. A Figura 3.1 mostra a

sequencia das revolucoes industriais e as principais tecnologias que as viabilizaram.

Figura 3.1: Revolucoes industrias passadas e a proposta para a 4a revolucao.1.

A seguir, com a segunda revolucao industrial e o domınio da eletricidade,

implementando-a para operar maquinas operatrizes e outros dispositivos, uma

mirıade de produtos, tecnicas produtivas e inovacoes em fabricacao mecanica toma-

ram vulto. Pode-se citar alguns exemplos como a eletrificacao da linha de producao

(considerada fundamental por Ford na implementacao de seu modelo produtivo [24]),

o surgimento das primeiras turbinas a gas, os avancos na precisao de maquinas-

ferramentas por Joseph Whitworth, entre varios outros. A Figura 3.2 [25] mostra

uma Turbina Parsons, uma das primeiras turbinas a vapor desenvolvidas, que utili-

zadas na geracao de energia gerava uma quantidade consideravel de energia (para a

epoca) a um custo aceitavel e com dimensoes reduzidas.

Finalmente, a terceira revolucao industrial (ou terceira etapa da revolucao indus-

trial) se deu atraves do uso da eletronica para a transmissao de informacao. Mais do

que apenas criar uma gama de novos produtos, trouxe a possibilidade de programar

previamente os equipamentos de fabricacao, possibilitando novos arranjos produti-

vos e novos paradigmas e tecnologias de producao. Nomeadamente, pode-se citar os

computadores, a tecnologia de comando numerico computacional (CNC) , os pro-

16

Figura 3.2: Turbina Parsons, uma das primeiras turbinas a vapor que se tem regis-

tro.3

gramas de Desenho e Fabricacao apoiados por computadores (CAD/CAM, do ingles

Computer Aided Design/Manufacture) e os programas de simulacao numerica. Esses

trouxeram uma enormidade de novas possibilidades de fabricacao, possibilitando ge-

ometrias consideravelmente mais complexas, a reducao de custos de projetos (com a

diminuicao dos testes com prototipos e modelos) e de tempo de producao. A Figura

3.3 [26] apresenta uma fresa CNC trabalhando em uma peca com diversos detalhes

e geometria complexa.

Adiante, apresentar-se-ao com maior profundidade as tecnologia de fabricacao

mecanica desenvolvidas a partir do modelo de Ford, correlacionando-as com os de-

safios caracterısticos de cada epoca. Alem disso, mostrar-se-ao os impactos destas e

dos modelos organizacionais da producao a quais estao vinculadas nas areas afins a

producao mecanica, como o gerenciamento da producao, a logıstica de abastecimento

e distribuicao e a propria organizacao espacial das linhas produtivas industriais.

17

Figura 3.3: Fresa de comando numerico computacional trabalhando em peca com

geometria complexa e grande numero de detalhes.5

3.2 Producao em Massa e Automacao Rıgida

3.2.1 Taylor e a Administracao Cientıfica

No final do seculo XIX e inıcio do XX, o Fordismo se tornou rapidamente o sistema

produtivo preponderante na industria mecanica, principalmente no setor onde foi

criada, o automobilıstico, em paıses da America do Norte, Europa e no Japao. Ela

foi precedida, e em certa medida tornada possıvel, pelo Taylorismo, que surgiu e teve

grande proeminencia na America do Norte e Europa simultaneamente a segunda

revolucao industrial. Indubitavelmente, esse sistema foi responsavel por lancar as

bases da producao industrial como e conhecida hoje, bem como diversos conceitos

e valores que permeiam a cultura fabril e produtiva atual.

Inicialmente, conceitua-se o Taylorismo, tambem conhecido como Administracao

Cientıfica, e apresentar seus fundamentos. Desenvolvido em um momento em que a

ciencia era cada vez mais valorizada, vista como uma ponte para o futuro e parte

fundamental do desenvolvimento, Taylor foi um dos primeiros a adotar uma pers-

pectiva cientıfica a gerencia e organizacao da producao, na busca por uma melhor

eficiencia economica da mesma. Por meio de estudos empıricos, ele buscou entender

as maneiras mais eficientes de realizar diversas tarefas, focando em tarefas manuais

e que exigissem grande esforco (como por exemplo descarregar vagoes com carvao

18

ou a movimentacao manual de gusa.

Podem ser definidos quatro princıpios basicos do Taylorismo, a seguir

[27](traducao do autor):

1. “Substituir o trabalho feito por ‘Regras de Ouro’, ou simplesmente

por habito ou senso comum, e ao inves disso usar o metodo cientıfico

para estudar o trabalho e determinar a maneira mais eficiente para

realizar tarefas especıficas.

2. Ao inves de simplesmente alocar trabalhadores para qualquer ta-

refa, compatibilizar trabalhadores com suas funcoes baseado em

suas capacidades e motivacao, e treina-los para que trabalhem com

a maxima eficiencia.

3. Monitorar a performance do trabalhador, e dar-lhe instrucoes e su-

pervisao para garantir que esteja usando a maneira mais eficiente

de trabalhar.

4. Alocar o trabalho entre gerentes e trabalhadores de forma que aque-

les empreguem seu tempo planejando e dando treinamentos, per-

mitindo que estes realizem suas tarefas eficientemente.”

Suas propostas, contudo, falhavam em perceber que o trabalhador teria uma

motivacao e um sentimento de realizacao muito menor ao nao poder se desviar dos

procedimentos preconizados, levando a altos ındices de descontentamento (deve-se

lembrar que na ideologia vigente a epoca, a motivacao principal do trabalhador era

receber seu salario e nao ser demitido). Tais sentimentos tambem decorrem da ex-

trema especializacao promovida e necessaria para que cada tarefa fosse realizada em

sua maxima eficiencia, diminuindo e muito o sentimento de vınculo do trabalhador

com o produto criado. Adicionalmente, o conceito de que existe apenas um “jeito

certo” de realizar certas funcoes, tolhe a capacidade de adaptacao e flexibilidade de

membros da forca de trabalho.

O conjunto de propostas de Taylor foi ultrapassado ainda na primeira metade do

seculo XX, mas diversas das ideias que permeiam seu trabalho sao empregadas ate

hoje. Naquele momento, nao havia maiores interacoes entre gerentes e trabalhadores

de mao de obra direta, que eram deixados para que fizessem seu trabalho no tempo

19

que fosse necessario. Taylor foi uma dos primeiros a insistir que a gerencia deveria

atuar para treinar os trabalhadores nas tarefas que lhes eram delegadas. Alem

disso, o conceito de remuneracao por produtividade era considerado por ele o ideal,

ao perceber que pessoas diferentes conseguiam produzir quantidades diferentes.

3.2.2 Ford e a Linha de Montagem

Ford foi, sem sombra de duvida, um dos principais responsaveis por mudar a maneira

como a fabricacao mecanica era e e feita ate hoje. A primeira das transformacoes

pela qual e responsavel e justamente a passagem de uma producao artesanal para

a producao em massa. Tal passagem criou, em grande extensao, o mercado como

hoje e conhecido, baseado em economia de escala e de escopo. A primeira se baseia

na dissolucao de custos fixos com equipamentos de capital e instalacoes em grandes

volumes de producao, diminuindo assim o custo unitario do produto. A segunda

e relacionada com a divisao e especializacao do trabalho, onde ao designar apenas

tarefas simples e repetitivas (especıficas e especializadas) para trabalhador, e possıvel

utilizar mao-de-obra menos qualificada e, portanto, reduzir custos.

Em termos de processos de trabalho, define-se o Fordismo da seguinte forma

[28](traducao do autor):

“(...) Fordismo se refere a uma configuracao particular da divisao

tecnica e social do trabalho envolvido em fabricar grandes lotes de produ-

tos padronizados. A ‘producao de massa’ fordista e baseada, tipicamente,

na divisao tecnica do trabalho que e organizado em linhas de producao

Tayloristas, sujeitas em sua fase de producao imediata ao ritmo imposto

mecanicamente por tecnicas de linhas de montagem moveis, e em geral

organizada sob o princıpio, baseado na oferta, que a producao deve ser

ininterrupta e em grandes lotes para garantir economia de escala. A linha

de montagem em si explora trabalho semi-qualificado do ‘trabalhador de

massa’, mas outros tipos de trabalhadores (artesaos ou trabalhadores

manuais nao qualificados, contramestres, engenheiros, projetistas, etc.)

sao empregados em outros locais da fabrica. Adicionalmente, o Fordismo

envolve, idealmente, o controle sistematico, pela mesma firma, de todas

20

as etapas de acumulacao, da producao de materia-prima ate o marke-

ting. Esta complexa divisao tecnica do trabalho e por vezes relacionada

a tambem complexas divisoes regionais dentro de um ou perpassando

diversos espacos economicos nacionais (...).

Note que a dominancia da producao de massa em uma dada empresa

ou setor nao exclui outros processos de trabalho ou tipos de trabalhado-

res. Pelo contrario, ela (a producao em massa) os sujeita a sua propria

logica. Isto porque a dominancia da producao em massa significa que,

em funcao de seu impacto na produtividade e crescimento da produtivi-

dade, esta se torna a maior fonte de dinamismo na firma ou setor; e que

outros processos e atividade serao organizados para apoiar, melhorar ou

complementa-la (...).”

A Figura 3.4 mostra uma etapa da linha de montagem na fabrica da Ford, por

volta de 1923 [29]. E interessante notar os trilhos que direcionavam o produto sendo

montado, que movia-se sobre suas proprias rodas nesse estagio.

Outra marca registrada da producao em massa, resultante de seu esquema de

divisao do trabalho, e a padronizacao. Uma vez que a linha produtiva nao podia

parar, era necessario que todas as unidade de uma certa peca fossem intercambiaveis

entre si, para facilitar o processo de montagem. Assim, criou-se a necessidade de

se fabricar pecas com tolerancias bem definidas, e processos de fabricacao que ga-

rantissem a repetibilidade das caracterısticas das pecas fabricadas. Uma frase do

proprio Henry Ford exemplifica bem a logica por tras da producao em massa: “Todo

cliente pode ter o carro pintado na cor que ele queira, contanto que seja preto” [30].

Embora tal afirmativa nao fosse absoluta (ha registros de modelos T pintados de

verde ou vermelho) fica bem explıcito o ideal de padronizacao dos produtos produ-

zidos e, naturalmente, ofertados (essa afirmativa foi feita em uma reuniao com seus

vendedores).

Para tanto, foram realizados diversos avancos em maquinas-ferramentas e siste-

mas de medicao, melhorando sua precisao e acuracia.

Lista-se outra modificacao no processo produtivo intimamente relacionada a

adocao da linha de montagem, a saber a ampla eletrificacao desta e dos equipa-

mentos utilizados, promovida no inıcio do seculo XX. O uso da eletricidade per-

21

Figura 3.4: Trabalhador posicionando um tanque de combustıvel em um modelo T

em fase de montagem. Note-se os trilhos que direcionavam a linha de montagem.7

mitiu equipar cada equipamento ou maquina-ferramenta com seu proprio motor,

sendo a energia necessaria trazida por fiacao eletrica,o que trouxe enormes ganhos

em eficiencia energetica. Antes, a energia necessaria era de fonte manual, sendo o

trabalhador aquele que atuava sobre o equipamento; ou mecanica, trazida por cin-

tas de couro ou por um eixo de transmissao, uma vez que era gerada em enormes

motores a vapor (construıdos com grandes dimensoes justamente para aumentar sua

eficiencia).

3.2.3 Automacao Rıgida

A automacao e definida pelo Servico Nacional de Aprendizagem Industrial (SENAI)

como [31]:

“ (...) a aplicacao de tecnicas, softwares ou equipamentos especıficos

em determinado equipamento ou processo industrial, com o objetivo de:

22

1. Aumentar a sua eficiencia.

2. Elevar a producao com baixo consumo de energia e de materias

primas.

3. Reduzir a emissao de resıduos de qualquer especie.

4. Garantir melhores condicoes de seguranca, seja material, humana

ou das informacoes referentes ao processo.

5. Reduzir o esforco ou a interferencia humana sobre o processo.”

Historicamente, a automacao pode ser encontrada desde as primeiras tentativas

de se controlar autonomamente as tarefas realizadas por maquinas, ainda na primeira

revolucao industrial e ate mesmo antes desta. Os mecanismos de controle entao em-

pregados visavam manter os processos produtivos em velocidades pre-especificadas,

ajustar pas de moinhos ao vento vigente ou evitar flutuacoes advindas de variacoes

no fornecimento de energia a fornalhas. Entretanto, nao foi ate a publicacao dos

criterios de estabilidade para sistemas de terceira ordem de James Clerk Maxwell

em 1868, e de “Um Tratado sobre a Estabilidade de um Determinado Estado de

Movimento” cujo autor e Edward John Routh, publicado em 1877, que o arcabouco

teorico permitiu uma abordagem mais abrangente dos sistemas de controle e, con-

sequentemente, o avanco no estado da tecnologia da automacao [32].

Na passagem do seculo XIX para o XX, a automacao sofreu um grande salto com

a eletrificacao das linhas produtivas e o emprego generalizado de motores eletricos

individuais em maquinas operatrizes. Logicamente, tais sistemas de controle eram

ainda simples quando comparados a tecnologia atual, mas ainda assim representa-

vam um aumento na capacidade de produzir pecas e produtos em condicoes unifor-

mes. Nao representavam, portanto, uma grande capacidade de variacao e adaptacao

das condicoes de trabalho, tendo como exemplo as velocidades de usinagem possıveis

para uma dada peca, determinadas pelo trem de engrenagens utilizado no torno, em

valores discretos e muitas vezes bastante distantes entre si. Logicamente, via de

regra tal limitacao nao constitui um impedimento a fabricacao, mas leva a peca

a ser fabricada fora de suas condicoes otimas, e limita uma serie de parametros de

projeto. A Figura 3.5 mostra a tabela de velocidades de um torno moderno. Note-se

a grande diferenca entre as velocidades mais rapidas, decorrente dos engrenamentos

23

disponıveis no trem de engrenagem utilizado na caixa de velocidades deste.

Figura 3.5: Tabela que mostra velocidades de corte possıveis para torno mecanico

moderno.9

E necessario ainda ressaltar que a tecnologia de automacao, por se tratar de

novidade e ser, a epoca, considerada como estado da tecnologia, era bastante cara.

Entretanto, tinha a seu favor o paradigma tecno-economico entao vigente (producao

em massa), que contribuiu para sua implementacao e dominancia ate pelo menos a

metade do seculo XX. Segundo Bastos [33]:

“No ambito microeconomico, esse paradigma tecno-economico era ca-

racterizado, de modo geral, por um a tendencia a dominancia de firmas

de grande porte. O porte das firmas era um elemento decisivo para a

obtencao de economias de escala, as quais favoreciam a incorporacao de

tecnologias de automacao nos processos produtivos, pois estas so pode-

riam justificar-se economicamente na medida em que viabilizassem uma

reducao dos custos unitarios de producao atraves da producao de grandes

volumes. Essas tecnologias de automacao eram denominadas rıgidas 10

pelo fato de se constituırem de maquinas especializadas, tendo as mes-

mas, desse modo, pequeno alcance em termos tanto da variabilidade de

tamanho dos lotes como do espectro de produtos fabricados.”

Conclui-se, portanto, que foi justamente essa capacidade de limitar e restringir

as condicoes de fabricacao que levou a ampla utilizacao da automacao rıgida. Tal

10Grifo nosso.

24

organizacao dos processos de fabricacao e, assim, chamado de manufatura rıgida, que

como foi visto esta estritamente atrelada a producao em massa e consumo tambem

de massa daı decorrente. Tal organizacao, ainda hoje, e amplamente utilizada em

setores que tem demanda por grandes numeros de pecas produzidas, como o de

pecas automobilısticas, por exemplo.

3.3 Manufatura e Automacao Flexıvel

Foi, todavia, justamente tal rigidez e limitacao em termos de variacao da producao

que levou a adocao de novas tecnologias de fabricacao, mais flexıveis, a partir da

metade do seculo XX. Em 1950, Einzig (apud Kaplinsky apud Bastos) [33] ja afir-

mava:

“Uma das principais desvantagens tecnico-comerciais e que a auto-

matizacao da maquinaria na maioria das industrias e viavel somente para

a producao em grandes series. Devido ao alto custo de sua instalacao e

ajustamento, nao e factıvel comercialmente recorre a equipamentos au-

tomaticos, a menos que exista um a possibilidade de produzir em massa o

mesmo produto por um longo perıodo... O risco de mudanca nos gostos,

necessitando um ajustamento da maquinaria logo apos a sua instalacao,

desencoraja as gerencias a introduzirem a automacao.”

Com a volatilizacao do mercado e instabilidade do mercado, ao longo da decada

de 1970, a economia de escala como unica forma de tornar uma dada empresa com-

petitiva foi completamente colocada em xeque. Alem da reorganizacao da producao,

promovida, entre outros, pelo Grupo Toyota, passou a existir uma grande pressao

para que os metodos e tecnologias de fabricacao se adaptassem a nova realidade.

Especificamente, era necessario buscar solucoes que permitissem a uma mesma

maquina variar seu trabalho sobre a peca de novas maneiras, mais rapidamente

e menos custosamente. Em outras palavras, uma vez que existia uma grande flexi-

bilidade na demanda pelos produtos, passou a existir tambem a necessidade que os

processos de fabricacao, com todas as maquinas e equipamentos neles envolvidos,

e a organizacao industrial refletissem e se adaptassem a essa variabilidade e flexi-

25

bilidade. Estava consolidada a base que levou ao desenvolvimento da manufatura

flexıvel.

Petrilli e Villani [34] definem os sistemas de manufatura flexıveis como:

“(...) sistemas de manufatura flexıveis (SMF) com alto nıvel de au-

tomacao e perfeitamente adaptaveis a mudancas de demanda (...). Ca-

pazes de produzir diferentes produtos em diferentes modelos e versoes,

podem ser formados por extensas linhas de producao em serie ou em pa-

ralelo com varias etapas de montagem ate que o produto esteja pronto

para a entrega ao consumidor final. ”

Ve-se neste trecho que o modelo produtivo muda radicalmente. Nao ha mais a

necessidade de se produzir gigantescas quantidades de um mesmo produto, identicos

todos entre si. A variacao aqui e desejada, sendo, contudo, controlada, previsıvel e

com alta repetibilidade. Nao e um retorno ao estado anterior, em que cada produto

era unico por nao haver tecnologia que garantisse a uniformidade, mas antes uma

diversificacao dos tamanhos dos lotes e da variacao entre cada um destes, possibili-

tando outros arranjos produtivos. A Figura 3.6 mostra os diversos tipos de processos

de fabricacao possıveis e sua relacao com o volume de pecas a ser produzida e a va-

riacao entre pecas de diferentes lotes.

Consequentemente, para que haja capacidade de adaptar a operacao de

maquinas-ferramenta e outros equipamentos rapidamente e de forma automatica,

e preciso que estes sejam capazes de receber, armazenar e processar informacoes

e parametros de funcionamento. Tal capacidade se desenvolveu somente apos o

advento da microeletronica. Bastos afirma ainda que [33]:

“No que se refere as novas formas de automacao, estas vem sendo

viabilizadas pela microeletronica atraves da incorporacao de micropro-

cessadores a estrutura fısica dos equipamentos (CORIAT, 1988,1989)[35].

Esse fato permitiu que ocorresse, pode-se assim dizer, uma mudanca na

“inteligencia” das maquinas, tornando-se possıvel programa-las e repro-

grama-las para diferentes sequencias13 de operacoes industriais (PEREZ,

1985, p.445) [36]. E a transicao da automacao de base eletromecanica

13sic

26

Figura 3.6: Tipos de processos em operacoes de manufatura, de acordo com o ta-

manho do lote (volume) e a variacao possıvel entre cada lote (variedade).12.

para a microeletronica que esta propiciando, em certa medida, um salto

qualitativo de um sistema de producao rıgido para outro de natureza

mais flexıvel.”

3.3.1 Produtividade e Integracao

A partir deste momento, maquinas ferramentas, manipuladores, sistemas de trans-

porte e alimentacao de pecas internamente a fabrica, os sistemas de controle da

producao e sensoriamento e mesmo os sistemas de suporte da producao (nomeada-

mente os programas de CAD/CAM) tem, integrados a sua construcao, microchips

que processam e transmitem as informacoes de funcionamento dos mesmos. Almeja-

se, com tal emprego, aumentar a produtividade,que naquele momento encontrava-se

27

esgotada, dadas as tecnicas entao vigentes (Taylorismo e Fordismo)e a mudanca nos

padroes de consumo que estavam ocorrendo [37]. Tal aumento e alcancado entao

por duas vias, a saber, o aumento da flexibilidade e o aumento da integracao da

linha produtiva. Segundo Coriat [35]:

“A tendencia de uma integracao 14 mais intensa das sequencias e das

operacoes de producao nasceu diretamente dos princıpios de economia

de tempo taylorista e fordista. Trata-se de eliminar, ao maximo, os

tempos “mortos” da producao, reduzindo os tempos gerais de circulacao

(alimentacao–transferencia) e buscando elevar, numa mesma fracao de

hora, os tempos de ocupacao efetiva da maquinaria, dos manipuladores

ou dos homens para o segmento de tarefas nao-automatizadas.”

Esta integracao se concretiza por duas vias praticas: a primeira e atraves da

reducao drastica entre os tempos de operacao e de circulacao dentro da fabrica de

uma dada peca. A utilizacao de malhas para gerenciar essa circulacao, associada

com o emprego de carros de transporte interno automaticos fez com que operacoes

antes realizadas de forma sucessiva fossem entao realizadas simultaneamente. O

aumento do percentual do tempo de efetiva utilizacao da maquina tambem reflete

uma mudanca no foco do aumento da produtividade, da preocupacao com a “me-

lhor maneira” do trabalhador realizar uma tarefa para uma melhor utilizacao dos

equipamentos de capital. Tal mudanca e coerente com a mudanca de organizacao

dos meios produtivos do fordismo para o Toyotismo, com sua enfase na preocupacao

em que o trabalhador sinta-se realizado em seu trabalho (como este sistema ja foi

bem conceituado no Capıtulo 2, nao sera portanto abordado mais profundamente

no presente capıtulo). Adicionalmente, tal integracao e tambem alcancada atraves

de otimizacoes nos processos intermediarios de producao (alimentacao, consumo de

energia e de materiais, gerenciamento de estoques), melhor gerindo o capital circu-

lante na planta.

14“Por integracao e entendida a integracao das sequencias (sic) temporais da producao, visando

a obter a maior capacidade produtiva possıvel e a reduzir os tempos de trabalho e de operacao.”

28

3.3.2 Produtividade e Flexibilidade

Quanto a flexibilidade, trata-se de uma capacidade desenvolvida em funcao da de-

manda, com grande impacto no desenvolvimento de tecnologias de fabricacao. Ainda

segundo Coriat [35]:

“No plano tecnologico, a flexibilidade repousa, basicamente, na carac-

terıstica programavel que as novas tecnologias de informacao permitem

transferir para a geracao atual de maquinas-ferramenta e manipulado-

res. A preparacao de uma linha de maquinas e de manipuladores dotados

previamente de diferentes series alternativas de modos de operacao per-

mite a fabricacao simultanea, se necessario, e de maneira automatica, de

uma gama de pecas diferenciadas, a partir de produto(s) elementar(es)

ou produto de base.”

Importante ressaltar que tal flexibilidade pode se referir a diversas dimensoes da

producao, a saber:

1. Flexibilidade do “mix” de produtos – refere-se a capacidade de fabricar simul-

taneamente diversos produtos de com caracterısticas em comum.

2. Flexibilidade de pecas – refere-se a possibilidade de suprimir uma peca do

processo, de mudanca de projeto, de volume ou de rotacao.

3. Flexibilidade de mudanca de projeto – capacidade de mudar rapidamente o

processo para adaptar-se a uma mudanca no projeto da peca.

4. Flexibilidade de volume – refere-se a um aumento ou diminuicao do numero

(volume) de pecas produzidas em um dado espaco de tempo.

5. Flexibilidade de rotacao – em caso de falha de uma maquina, o sistema ser

capaz de direcionar as pecas a serem fabricadas para outras maquinas capazes

de realizar a mesma tarefa.

Para alem dos sistemas de transporte e alimentacao de pecas dentro da fabrica,

talvez o equipamento mais emblematico da Manufatura Flexıvel na industria meta-

lomecanica seja o centro de usinagem por comando numerico computacional. Tais

29

centros funcionam, via de regra, com uma serie de cabecotes intercambiaveis, cada

um dotado de uma ferramenta diferente, e inteiramente atuados por computadores

conectados a motores eletricos ou sistemas hidraulicos. Estes recebem o codigo de

operacao (chamado codigo G) de uma unidade de interpretacao, ou sendo esse dire-

tamente digitado pelo operador. Tal codigo e, na realidade, relacionado ao desenho

de projeto, transformado em linguagem propria para a interpretacao da unidade de

interpretacao (um arquivo de texto, normalmente em formato ‘.STL’). A Figura 3.7

mostra um exemplo destes cabecotes.

Figura 3.7: Diversos cabecotes em um centro de usinagem CNC. Cada um deles

pode ser equipado com diferentes ferramentas. 16

Esta configuracao dos centros de usinagem CNC faz com que operacoes antes re-

alizadas por multiplas maquinas-ferramenta (furacao, torneamento, aplainamento,

fresamento, alargamento, entre outras) podem ser realizadas em apenas por este

centro. Isso significa que o tempo gasto com movimentacao entre diversas maquinas

e reduzido a zero. Alem da possibilidade de realizar-se diversas operacoes em ape-

nas uma maquina, a tecnologia CNC permite a fabricacao de formas geometricas

bastante complexas, em processo net shape ou nearnetshape, empregando 1, 2, 3 e

ate mesmo 5 eixos na movimentacao da peca sendo usinada. Alem disso, o uso de

30

motores de passo permite um controle dimensional e do posicionamento deste na

maquina preciso e inteiramente integrado ao sistema computacional de controle do

centro de usinagem.

Ainda sobre os centros CNC, e vital ressaltar sua grande integracao com os

programas de CAD/CAM. Pode-se afirmar que [33]:

“Mesmo sem trabalhar em termos prospectivos, Rush e Bessant

(1992,p.5) [38] destacam, ja no presente, as possibilidades abertas a inte-

gracao pela utilizacao do CAD, na medida em que o mesmo torna viavel

a convergencia de uma serie de tarefas em projeto e desenho; associado

a esse aspecto e nao menos importante, o CAD permite que os dese-

nhos possam ser atualizados automaticamente quando da realizacao de

alteracoes nos parametros anteriormente empregados na sua elaboracao,

com uma economia sensıvel de tempo e trabalho. Por outro lado, Rush e

Bessant (1992, p.5, 6) [38] ressaltam que o CAD , ao utilizar informacao

codificada em um a linguagem eletronica semelhante a das maquinas com

CNC , torna factıvel a integracao com a esfera de manufatura; nesse sen-

tido, um projeto gerado por CAD tambem fornece as instrucoes para

colocar em funcionamento uma maquina — em realidade, e desse tipo

de integracao que tratam os sistemas CAD/CAM (compufer aided de-

sign/computer aided manufacturing)”

Fica claro que, para alem das modificacoes tecnologicas nos processos de fa-

bricacao mecanica e mesmo alem da reorganizacao da producao, a microeletronica

possibilitou uma serie de avancos em outras areas afeitas a fabricacao. Aos softwa-

res de CAD/CAM somam-se aqueles de simulacao numerica computacional, que

possibilitaram reduzir recursos de tempo e de material na construcao de modelos

e prototipos. Adicionalmente, viabilizaram o estudo de novas geometrias, que an-

tes precisavam ser simplificadas, as vezes a ponto de nao haver mais garantia da

equivalencia do modelo simplificado com o real.

31

3.4 Avancos Recentes em Manufatura

A partir da introducao da microeletronica ate os dias de hoje, uma serie de avancos

foram registrados em varios ramos da industria manufatureira. Para alem da micro-

eletronica, responsavel pela viabilizacao das tecnologias integrantes da manufatura

flexıvel, diversas outras areas tecnologicas e do conhecimento contribuıram para

moldar a industria mecanica como ela hoje se apresenta.

Ao longo deste perıodo, uma das preocupacoes mais recorrentes foi a do impacto

ambiental que essa atividade cria. Juntamente com ela, a busca por novas formas de

obter produtividade e competitividade em um mundo cada vez mais global tornou-se

a tonica da inovacao na industria. A busca por economia levou muitas empresas

a internacionalizar sua producao, a despeito das dificuldades logısticas inerentes,

buscando mercados com mao-de-obra mais barata e regulacoes trabalhistas menos

rıgidas, em um movimento chamado de offshoring. Logicamente que tal so foi viavel

na escala de hoje devido as novas tecnologias da informacao. Tal fato demonstra,

para alem das inovacoes tecnologicas, o surgimento de novas formas de fazer negocios

ou a reinvencao de praticas ja estabelecidas. Conforme Foresight [11] (traducao do

autor):

“As firmas manufatureiras estao ajustando cada vez mais como fa-

zem negocios para criar fluxos novos e adicionais de receitas. A servi-

tizacao17, personalizacao, os modelos de economia circular e aluguel sao

todos exemplos de tendencias em inovacao nos modelos de negocio, discu-

tidos brevemente. Esses tornar-se-ao importantes na maioria dos subse-

tores nas decadas futuras, conforme tendencias tecnologicas, economicas,

ambientais e sociais forcarem as firmas manufatureiras nessas direcoes.

Por exemplo, desenvolvimentos tecnologicos como a integracao de senso-

res em produtos, e avancos na tecnologia de comunicacao e informacao

viabilizarao produtos cada vez mais personalizados.”

Volta a tona aqui a intrınseca relacao entre desenvolvimento tecnologico, pro-

cessos de fabricacao e modelos de negocio. O perıodo da grande disseminacao da

17Pode ser definida como a entrega de servicos juntamente com o produto (do ingles servitisation,

no original.

32

automacao e manufatura flexıveis foi tambem marcado por uma aceleracao do de-

senvolvimento tecnologico, principalmente na eletronica e computacao. Este ritmo

se mantem ate os dias de hoje, com algumas areas se destacando em seu potencial

de influenciar a maneira como opera a fabricacao mecanica.

Pode-se separar as tecnologias que hoje apresentam maior influencia sobre a

inovacao na manufatura em dois grandes grupos. As tecnologias primarias ou sub-

jacentes sao aquelas fundamentais, universais e frequentemente integradas em nıveis

mais altos de sistemas com o potencial de influenciar quase todos os aspectos da

vida humana, bem-estar, lazer, negocios e a economia global. As secundarias ou

contingentes definem-se como aquelas que fazem uso de tecnologias de base para

criar tecnologias com alta funcionalidade, desde sistemas altamente configuraveis e

gerais ate aqueles altamente focados, profundos e de altıssima performance.

Quanto ao tipo de influencia que os principais elementos de cada grupo tem sobre

a manufatura, pode-se citar [11] (traducao do autor):

“Tecnologias primarias ou subjacentes como a tecnologia de in-

formacao e comunicacoes (TIC) , sensores, materiais avancados e funcio-

nais, biotecnologia e tecnologias sustentaveis ou verdes devem tornar-se

cada vez mais presentes em produtos e processos.

Tecnologias secundarias ou contingentes como a internet movel, big

data, a internet das coisas, robotica, manufatura aditiva e computacao

em nuvem farao uso dessas tecnologias subjacentes para facilitar coleti-

vamente:

• Personalizacao de massa de produtos de baixo custo, sob demanda;

• Uma base produtiva global muito mais distribuıda e local, com a

manufatura sendo feita muito mais proxima ao consumidor e com

uma maior diversidade de fabricas do futuro(...);

• Cadeias de manufatura ‘digitalizadas’, com conexoes digitais en-

tre clientes, fabricantes e fornecedores, aumentando a velocidade

e a eficiencia da fabricacao, e melhorando oportunidades de cola-

boracao internacional;

• Maior liberdade de projeto e desenho;

33

• Entrega de produtos novos e inovadores;

• Sistemas de fabricacao de maior performance e mais flexıveis , en-

tregando melhor qualidade e performance de custos; e

• Melhor customizacao de produtos e servicos (chamada de ‘clien-

tizacao’18).

3.5 Selecao de Tecnologias para Prospeccao Tec-

nologica

A Manufatura Avancada esta relacionada a um grande numero de tecnologias de

ponta, nas mais diversas areas. Entretanto, nem todas estao claramente ligadas a

Fabricacao Mecanica, muitas delas mais relacionadas a funcionalidades do produto

do que a como esse e fabricado. Na Tabela 3.1, sao listadas todas as tecnologias

que, segundo Foresight, provavelmente tomarao parte na Manufatura Avancada:

18Traducao livre do neologismo customerisation, em ingles

34

Tabela 3.1: Tecnologias Primarias e Secundarias que fazem parte da Manufatura

Avancada.

Tecnologias Primarias Tecnologias Secundarias

Tecnologia de Informacao e Comunicacoes Internet Movel

Materiais Avancados Automacao Baseada em conhecimento

Sensores Internet das Coisas

Biotecnologia Big Data

Tecnologias Verdes ou Sustentaveis Computacao na Nuvem

Modelagem Numerica e Algoritmos Robotica Autonoma

Mecatronica Inteligencia Energetica

Fotonica Manufatura Aditiva

Sistemas de Conhecimento Eletronicos Imprimıveis

Microeletronica Sistemas de Seguranca Integrada

Tribologia Criacao de Produto Virtual

Nanotecnologia Transporte de Baixo Impacto

Redes Manufatura Virtual

Inteligencia Artificial Sistemas Adaptativos

Interface Homem-Maquina

Conforme mencionado, nem todas estao diretamente relacionadas a fabricacao

mecanica. Desta forma, como primeiro criterio de escolha para o exercıcio de pros-

peccao tecnologica, serao separadas aquelas que podem ser, de imediato, ligadas a

esse campo de aplicacao, dentro do que pode ser esperado para um graduando em

Engenharia Mecanica. Ficam assim com as seguintes tecnologias:

• Entre as tecnologias primarias:

Materiais Avancados

Sensores

Mecatronica

Tribologia

Interface Homem-Maquina

35

• Entre as tecnologias secundarias:

Automacao Baseada em Conhecimento

Robotica Autonoma

Inteligencia Energetica

Manufatura Aditiva

Criacao Virtual de Produtos

Manufatura Virtual

Em funcao da abrangencia e presenca notavel nos processos de fabricacao e

por uma questao de preferencia pessoal, a area que foi escolhida para realizar o

exercıcio de prospeccao tecnologica e o de sensores. O foco deste exercıcio nao sera

as tecnologias de funcionamento dos sensores em si, mas em sua integracao aos

processos de fabricacao e como neles influenciam. Segundo Foresight [11] (traducao

do autor):

Sensores sao dispositivos em miniatura que medem variaveis fısicas,

quımicas ou biologicas e convertem-na em um sinal eletronico. Em pro-

dutos e processos produtivos,sensores sao normalmente parte integrante e

vital do sistema, provendo informacao sobre variaveis como posicao, tem-

peratura, tensao, ambiente quımico, concentracao do produto e numero

de utilizacoes. (...) Sensores sao ubıquos em todo o setor manufatu-

reiro e fornecem dados a respeito do progresso, qualidade ou condicao

de sistemas de manufatura.

Considerando-se que trata-se, no presente estudo, de sensores no escopo da

producao metalomecanica, estes podem ser divididos em seis grupos, de acordo

com a natureza do estımulo a qual respondem: eletrico, otico, magnetico, acustico,

termico ou mecanico. Todos podem ser utilizados nas mais diversas aplicacoes nos

processos de fabricacao ou nos produtos destes. Existem micrometros a laser (oticos)

usados para a medicao de diametros e outras dimensoes de pecas usinadas, termo-

pares (termicos) na medicao e controle da temperatura de fornos, e etiquetas de

identificacao por radiofrequencia (eletromagneticos, conhecidos como tags RFID –

36

Radio Frequency Identification tags), que fazem o acompanhamento de um certo

produto do momento em que e colocada ate a entrega deste para o cliente.

Uma das maiores tendencias em emprego de sensoriamento em produtos se da

em motores. Especificamente na medicao da velocidade angular de eixos, e bastante

comum o emprego de sensores oticos (par de emissor-receptor de infravermelho entre-

meado por disco perfurado) ou eletromagnetico (tacogerador). Em motores eletricos

(corrente alternada) de ıma permanente, no entanto, surgem, ao final da decada de

90, tecnologias “sem sensores”, em que a medida da posicao do rotor e feita atraves

da medicao da corrente no enrolamento do motor eletrico. Tal tecnologia se tor-

nou revolucionaria justamente por representar a capacidade de controlar a rotacao

do motor sem medi-la, apenas tratando corretamente o sinal, em um estrutura de

blocos [39].

Todo este esforco na utilizacao de sensores na fabricacao, maquinas-ferramenta

e mesmo produtos da industria metalomecanica se da justamente na tentativa de se

implementar o controle dos processos produtivos sem interacao humana (lights out

manufacturing). Todo esse sensoriamento, ainda que nao seja suficiente, per se, para

alcancar esse estagio, torna possıvel a integracao da linha de producao atraves de

computadores. Uma vez que todos os sinais medidos sao transformados em dados,

entao processados por computacao, tambem e possıvel controlar a linha produtiva

atraves de algoritmos. Este e o conceito da Manufatura Integrada por Computacao

(CIM, do ingles Computer-Integrated Manufacturing).

3.6 Sensores na Manufatura Avancada

Em automacao industrial, a estrutura vertical se divide em nıveis, integrados em

redes e que se comunicam atraves de protocolos de rede. Cada elemento de au-

tomacao que compoe o sistema pode ser alocado em um nıvel hierarquico, consoante

sua funcao, poder de processamento e de influencia no sistema. A Figura 3.8 mostra

essa organizacao em nıveis hierarquicos.

As funcoes e componentes de cada nıvel sao sintetizados da seguinte forma:

Nıvel 1 Aquisicao de Dados e Controle Manual – O primeiro nıvel e majoritariamente

composto por dispositivos de campo: atuadores, sensores e outros instrumen-

37

Figura 3.8: Diagrama com os diversos nıveis hierarquicos da automacao, e seus

principais componentes.20

tos de controle e seguranca.

Nıvel 2 Controle Individual – O segundo nıvel compreende equipamentos que reali-

zam o controle automatizado das atividades da planta. Neste se encontram

CLPs (Controlador Logico Programavel), SDCDs (Sistema Digital de Controle

Distribuıdo) e reles.

Nıvel 3 Controle de Celula, Supervisao e Otimizacao do Processo – O terceiro nıvel

destina-se a supervisao dos processos executados por uma determinada celula

de trabalho em uma planta. Na maioria dos casos, tambem obtem suporte de

um banco de dados com todas as informacoes relativas ao processo.

Nıvel 4 Controle Fabril Total, Producao e Programacao – O quarto nıvel e responsavel

pela parte de programacao e tambem do planejamento da producao. Auxilia

tanto no controle dos processos industriais quanto tambem na logıstica de

suprimentos. O termo “Gerenciamento da Planta” pode ser aplicado para

este nıvel.

Nıvel 5 Planejamento Estrategico e Gerenciamento Corporativo – O quinto e mais alto

nıvel da piramide da automacao industrial se encarrega da administracao dos

recursos da empresa. Neste nıvel encontram-se softwares para gestao de venda,

38

gestao financeira e Business Intelligence para ajudar na tomada de decisoes

que afetam a empresa como um todo.

Nota-se que os sensores estao presentes, primordialmente, no chao-de-fabrica.

A importancia dos sensores dentro da Manufatura Avancada advem justamente da

possibilidade destes serem integrados em rede, agilizando e permitindo um controle

vertical da manufatura extremamente conciso (nos varios nıveis apresentados acima).

Dentro dessa logica, os protocolos de comunicacao (fieldbus, ethernet, ASI, TCP/IP,

DDE, OPC, etc...) vem se tornando cada vez mais importantes e passando por um

processo de padronizacao, com vistas a simplificacao de sua implementacao e melhor

integracao com infraestrutura legada [40]. Dentre estes, alguns que se encontram

em franca expansao sao: ethernet, fieldbus e wireless.

O emprego dos sensores, integrados a redes e programas de interpretacao, analise

e controle na automacao industrial, permite o controle centralizado de operacoes

dispersas e acesso a mecanismos hierarquicos e automaticos de tomada de decisao

e correcao de erros [41]. Esse nıvel de controle dos processos e primordial para as

fabricas do futuro, que deverao ser completamente digitais e com sistemas de compu-

tador que permitem gerenciar sistemas produtivos complexos e adaptaveis ([11],[9]).

A Figura 3.9 mostra a visao do modelo de integracao proposto pela Industria 4.0.

Figura 3.9: Imagem mostrando a visao proposta para as fabricas inteligentes, e como

estas deverao estar integradas. 22

Os sensores, nesse ambiente, deverao estar prontos para operar com tais redes

e com os diversos equipamentos que a compoem, sendo compatıveis com eles. De

acordo com o MDIC e o MCTI, a interoperabilidade e um dos temas vitais a moder-

nizacao da manufatura no Brasil rumo a Manufatura Avancada, com a padronizacao

39

dos protocolos e meio de comunicacao como ponto focal [4]. No mesmo estudo, as

oportunidades geradas pelo desenvolvimento de sensores e atuadores sao ressaltadas

logo em seguida. A justificativa da necessidade de desenvolvimento da tecnologia de

sensores e que, por conseguinte, torna o presente trabalho relevante.

40

Capıtulo 4

Sensores: Emprego, classificacao e

integracao

4.1 Emprego de Sensores

Medir e o processo de adquirir informacao do mundo fısico e compara-la com padroes

previamente convencionados. A variavel medida e cunhada de mensurando, geral-

mente um sinal analogico – exemplos: aceleracao e velocidade de um veıculo, torque

em uma junta robotica, temperatura e pressao em uma planta de processo, cor-

rente fluindo por um circuito, etc. Como o elemento sensor reage a variavel e a

converte para uma saıda - geralmente um sinal eletrico analogico, possibilitando

sua transmissao e processamento -, os termos sensor e transdutor sao utilizados

indiscriminadamente, embora a rigor sejam dois estagios distintos [42].

Antes de ser aplicado para controle e atuacao, contudo, e comum que o mensu-

rando passe por varios estagios de transducao, bem como filtragem para a eliminacao

de ruıdos de medida. Esses estagios sao referidos como condicionamento de sinal

e seus protagonistas sao retificadores, amplificadores, linearizadores e filtros. O

diagrama da Figura 4.1 auxilia na contextualizacao dos sensores em sistemas de

controle. O sistema apresentado e do tipo realimentado (feedback), mais comum,

embora sensores tambem sejam fundamentais em sistemas feedforward, que detec-

tam a perturbacao e dela “preveem” a acao que deve ser tomada a fim de garantir

o rastreamento da referencia.

O desenvolvimento de novos e mais sofisticados sistemas de automacao torna o

41

Figura 4.1: Sistema de controle com retroalimentacao, em circuito fechado (closed-

loop feedback control system).

ato de medir cada vez mais importante e amplo: mais variaveis tornam-se de inte-

resse e mais inteligencia, tanto para interpretar quanto para atuar, se faz necessaria.

A perspectiva para os sensores, entao, e que nao se limitem apenas a medicao, mas

disponham tambem de microprocessamento; grande capacidade de comunicacao, in-

clusive sem fio; sejam energeticamente eficientes e menores, especialmente gracas aos

avancos em tecnologia de materiais e nano, que permitem a miniaturizacao tanto da

eletronica embarcada quanto do material sensor.

A miniaturizacao de componentes semicondutores permite tambem agregar ao

sensor, num mesmo chip, uma unidade de processamento. O sensor “inteligente” e

capaz de medir, processar o dado e tomar uma decisao a nıvel de controle (isto e,

acionar algum dispositivo de maneira mais sofisticada que liga-desliga) ou mesmo

transmitir o dado atraves de um protocolo de comunicacao mais complexo, ate

mesmo sem fio. Para sensores dotados deste tipo de comunicacao, a inteligencia

embarcada tambem e fundamental para a gestao do consumo de energia do conjunto,

atraves de algoritmos que coloquem o sensor em modo de espera, retornando ao

funcionamento pleno na ocorrencia de algum evento ou numa periodicidade pre-

programada.

42

4.2 Classificacao de Sensores

Do ponto de vista pratico para instrumentacao, as grandezas medidas podem ser

agrupadas em seis classes [43]:

• Eletrica — carga, corrente, potencial, campo eletrico, permissividade, condu-

tividade, etc.;

• Quımica — componentes (identidades, concentracoes, estados), biomassa

(identidades, concentracoes, estados), etc.;

• Magnetica — campo magnetico, fluxo magnetico, permeabilidade;

• Mecanica -– posicao, velocidade, aceleracao, forca, estresse, pressao, tensao,

massa, densidade, momento, torque, velocidade de fluxo, razao de transporte

de massa, forma, rugosidade, orientacao, rigidez, viscosidade, cristalinidade,

etc.

• Radiante — amplitude de onda, fase, polarizacao, espectro, velocidade de

onda, energia, intensidade, etc.;

• Termica — temperatura, fluxo, calor especıfico, etc.

Dadas as aplicacoes em escopo no presente trabalho, os sensores acusticos foram

tratados separadamente dos sensores mecanicos. Alem disso, nao foram abordados

os sensores quımicos, que embora possam ser usados em processos de fabricacao

mecanica, tem abrangencia bem menor que os demais tipos.

Outras classificacoes de sensores existem. A primeira e baseada na necessidade

ou nao de uma fonte externa de alimentacao para seu funcionamento. Transdutores

autogeradores (passivos) dependem de suas proprias caracterısticas de transferencia

de energia e dispensam fontes de alimentacao externas. Exemplos sao os eletro-

magneticos, termoeletricos, radioativos, piezoeletricos, fotovoltaicos, etc. Estes dre-

nam a energia necessaria para seu funcionamento do proprio mensurando, tendendo

a distorce-lo ou atenua-lo. Por outro lado, com o devido cuidado no projeto, repre-

sentam a opcao mais simples, confiavel e barata. Transdutores modulantes (ativos)

sao os que dependem de uma fonte externa de alimentacao, e o exemplo mais conhe-

cido e transdutor resistivo, o potenciometro, cuja operacao se baseia na dissipacao

de energia para que o sinal de saıda seja gerado.

43

Note-se que tal classificacao se da pela demanda ou nao de uma fonte externa de

energia para o transdutor, o que nao significa que o dispositivo completo, isto e, o

que entrega um sinal adequado para fins de medida e controle, nao dependa de fonte

externa alguma. A etapa de condicionamento do sinal e distinta da medicao em si e

pode demandar uma fonte de alimentacao para seu funcionamento. Exemplo breve:

um dispositivo piezoeletrico e passivo, porem o amplificador necessario para que o

sinal seja util toma energia de uma fonte.

Outra classificacao geral se baseia em tres modos de operacao. No “instrumento

de deflexao”, o sinal que representa a informacao de medicao e diretamente rela-

cionado com o mensurando e o resultado da medicao e determinado inteiramente

pelo sinal disponibilizado pelo sensor de medicao, como uma balanca que cujo pon-

teiro indica diretamente o peso do objeto que se esta medindo. “Instrumentos de

nulo” caracterizam-se por utilizar um detector de zero e por exercer sobre o sistema

de medicao uma influencia de mesma magnitude em sentido oposto a do mensu-

rando. O instrumento detecta quando as duas se anulam e o resultado da medicao

e determinado inteiramente a partir do valor da grandeza de oposicao, que deve ser

conhecido. Por fim, “instrumentos de diferenca” sao os que medem a diferenca entre

o mensurando e um valor de referencia [43].

As demais classificacoes se dao pelas caracterısticas de funcionamento dos sen-

sores, apresentadas a seguir:

• Sensibilidade – Inclinacao da curva de calibracao, que e a razao de variacao do

sinal de saıda em relacao a variacao da grandeza medida. Em geral, deseja-se

que o sensor utilizado opere no seu ponto de maior sensibilidade;

• Sensibilidade cruzada – Sensibilidade do sinal de saıda do sensor a outras

grandezas que nao seja a de interesse, sendo a mais comum temperatura;

• Desvio – Valor do sinal de saıda do sensor sem a aplicacao da grandeza de

medicao;

• Faixa de medicao – Valores compreendidos entre os limites maximo e mınimo

do mensurando, nos quais o sensor pode ser empregado seguindo as carac-

terısticas de desempenho especificadas;

44

• Tempo de resposta – Intervalo de tempo necessario para que o sinal de saıda

atinja o valor final dentro de uma certa tolerancia (99%, por exemplo), dada

uma variacao do tipo degrau da grandeza a ser medida;

• Histerese – Capacidade do sensor de seguir as mudancas dos valores da gran-

deza de forma acurada, nao importando qual o sentido da mudanca;

• Envelhecimento – Variacao da curva de calibracao com o tempo, geralmente

apresentando uma diminuicao de sensibilidade;

• Sobrecarregamento – Maximo valor da grandeza de medicao, fora da faixa de

medicao, sem alterar as caracterısticas de desempenho do sensor;

• Repetibilidade – Grau de concordancia dos valores de saıda do sensor quando

o mesmo valor de grandeza e aplicado neste, consecutivamente, sob as mesmas

condicoes de operacao e mesma direcao de aplicacao da grandeza;

• Condicoes ambientais em que os sensores podem operar, como temperatura,

aceleracao, vibracao, choque, etc.

4.3 Integracao dos Sensores: Redes

Desde que, em 1969, a Modicon apresentou o primeiro CLP (Controlador Logico

Programavel) , permitindo a programacao digital de sistemas de automacao, esta

tecnologia difundiu-se e estabeleceu-se . Esse paradigma de programacao e o que

ainda rege os sistemas de producao atuais e permite que sejam altamente flexıveis e

eficientes. Hoje, no entanto, a integracao destes controladores com seus sensores em

redes industriais, que permite o monitoramento em tempo real da producao atraves

destas, e dado o nome de Internet Industrial, desdobramento natural da Internet

das Coisas.

A iniciativa Industria 4.0 em si declara, explicitamente, que o uso de sensores e

integracao destes tanto nos meios produtivos como nos produtos e parte fundamental

da chamada fabrica inteligente. Dessa forma, serao pesquisaveis, exploraveis e ana-

lisaveis atraves da propria rede, podendo esta ser acessıvel de qualquer lugar. Alem

disso, dispositivos de campo, maquinas e fabricas poderao guardar documentos e in-

formacoes sobre si mesmos fora do seu corpo fısico na rede. Assim, eles obtem uma

45

representacao virtual e independente na rede, com identificadores proprios. Essa

realidade aumentada do objeto facilita o acesso e a atualizacao de suas informacoes,

alem de permitir a introducao de novas funcionalidades possıveis apenas atraves da

rede, como a interacao com outros objetos e locais.

4.4 Tipos de sensores

4.4.1 Sensores Mecanicos

Tambem conhecidos como chaves, sao sensores que detectam movimentos, posicao ou

presenca atraves de contatos mecanicos. Estes geralmente ativam algum dispositivo

eletronico (um rele, por exemplo) o qual sinaliza a deteccao e/ou desencadeia uma

acao de controle. Em outras palavras, e um circuito liga-desliga ativado por uma

chave mecanica.

Uma variante deste tipo de sensor e a chave “fim de curso”, a qual detecta que

uma parte mecanica de um dispositivo atingiu seu deslocamento maximo, evitando

sobrecargas nos equipamentos de potencia e eventuais estragos nos elementos sob

atuacao. Varias chaves desse tipo sao mostradas na Figura 4.2.

Figura 4.2: Varios modelos de chave de fim de curso1.

46

Os sensores do tipo reed switch tambem sao chaves mecanicas. No entanto, o

abrir e fechar destas chaves sao dados pela posicao de um pequeno ıma que, ao se

aproximar da chave, aplica sobre esta um campo magnetico capaz de mudar seu

estado. Sao aplicados para detectar aproximacao de algum elemento ou gerar pulsos

de controle/monitoramento a cada passagem de elementos moveis.

4.4.2 Sensores Fotoeletricos

Os sensores mecanicos tem por principal desvantagem o fato de terem pecas moveis

sujeitas a quebra e desgaste alem da inercia natural que limita sua velocidade de

acao. Outro problema esta no repique que pode falsear o sinal enviado quando

sao acionados. Por outro lado, sensores que trabalham com a luz sao muito mais

rapidos, nao apresentando praticamente inercia e nao tem pecas moveis que quebram

ou desgastam. Alguns tipos, tambem mostrados na Figura 4.3:

• Fotorresistores (Light Detection Resistor), que variam a resistencia conforme

a incidencia de luz. Sao considerados de resposta lenta, da ordem de dezenas

de kHz;

• Foto-celulas, ou celulas fotovoltaicas, que geram uma pequena tensao eletrica

quando iluminados, um analogo dos piezoeletricos, que geram tensao quando

sob pressao. Sao sensıveis e de resposta rapida, porem requerem um circuito

de condicionamento para a tensao gerada se tornar uma informacao util;

• Foto-disparadores, dispositivos baseados em Silıcio e que atuam como chaves

semi-condutoras controladas pela incidencia de luz. Nao sao sensores por si

so, mas com-ponentes de um circuito sensor controlado por luz;

• Encoders oticos, que detectam rotacoes ou movimento linear atraves da co-

dificacao de pulsos de luz. No rotatorio, um disco codificado (regioes claras

e escuras, ou vaza-das e opacas) e constantemente iluminado por um emissor

de luz. De acordo com o movimento, um padrao de resposta e gerado (seja

porque refletiu uma parte clara ou porque atravessou uma parte vazada) e a

posicao – consequentemente velocidade e aceleracao – do eixo onde o disco

esta instalado e detectada, de maneira absoluta (posicao exata) ou incremen-

47

tal (posicao relativa a um referencial). O encoder otico linear e analogo, mas

no lugar do disco ha uma tira com faixas claras e escuras ou vazadas e opacas.

Figura 4.3: Alguns tipos de sensores fotoeletricos.2

Sensores formados por uma matriz de sensores fotoeletricos individuais sao cha-

mados de sensores de imagem. Acoplados a computadores, esses sensores possibi-

litam a analise do formato, cor e ate mesmo o reconhecimento de um objeto. Sao

sensores que demandam um circuito eletronico e softwares de processamento mais

complexos. A chamada “visao computacional” , viabilizada por estes dispositivos,

e fundamental para o desenvolvimento e emprego de veıculos autonomos e robos.

4.4.3 Sensores Termicos

Sao sensores que detectam a variacao de temperatura do meio em que se encontram

ou do elemento em que estejam fixados.

48

Alguns tipos:

• Bimetais, duas laminas feitas de metais que possuem coeficientes de dilatacao

distintos. As laminas sao combinadas de tal modo que, ao se aquecerem, o

conjunto verga na direcao da lamina de menor coeficiente, abrindo ou fechando

algum tipo de contato. E uma solucao simples, porem pouco precisa, cabendo

para aplicacoes simples de protecao contra sobrecargas, controle de tempera-

tura em ambientes fechados e similares;

• Pares termoeletricos (termopar). Quando dois metais formam uma juncao

e um deles esta em uma temperatura diferente do outro, aparece entre eles

uma tensao eletrica proporcional a esta diferenca (efeito Seebeck). Pela sua

capacidade de operar numa ampla faixa de temperaturas (-250 a 300 ◦C),

linearidade e precisao, sao os dispositivos mais aplicados na industria. Um

exemplo de tais dispositivos e mostrado na Figura 4.4;

• NTC’s e PTC’s, sao resistores cuja resistencia diminui (NTC – Negative Tem-

perature Coefficient) ou aumenta (PTC – Positive Temperature Coefficient)

consoante a temperatura. Podem ser feitos de platina, nıquel, cobre e ou-

tras ligas, medindo entre -200 a 800◦C. Todavia, nas temperaturas extremas

tendem a ser menos precisos. Nestes casos, aplica-se termistores, baseados

em material semicondutor, mas que apresentam tambem uma nao-linearidade

maior;

• Piroeletricos, mais aplicados para deteccao de chamas (incendio) ou presenca,

se ativam a partir da deteccao de ondas infravermelhas.

4.4.4 Sensores Ultrassonicos – Acusticos

As frequencias audıveis se encontram na faixa entre 20 Hz a 20 kHz. Ondas ul-

trassonicas sao as que ultrapassam esta frequencia superior, e sensores podem aplica-

las para construcao de imagens medicas, medicao de nıvel, velocidade ou presenca

(e ate mesmo forma) de objetos. Para tal, o sinal e gerado em um gerador de ondas,

enviado para o transmissor/receptor (sensor) e deste para o corpo e de volta. De sua

49

Figura 4.4: Sensor termico para aplicacoes em computadores, do tipo par ter-

moeletrico4.

chegada ao sensor, o sinal medido sera analisado por dispositivo de processamento

de sinal. Um exemplo e mostrado na Figura 4.5.

O gerador de ondas pode ser feito de um material piezoeletrico submetido a uma

tensao ou algum material ferromagnetico. O bloco de processamento do sinal, um

circuito eletronico, e o que entrega a resposta da leitura. Vale aqui ressaltar que,

dependendo do tipo de medida a ser realizada, o transdutor da emissao da onda nao

precisa, necessariamente, ser o mesmo do receptor. Por vezes, a propagacao acustica

se da em funcao de fontes no proprio objeto sendo observado, sendo necessario

somente um receptor adequado e calibrado para a medida a ser feita.

4.4.5 Sensores Reativos – Eletromagneticos

Podem ser divididos em capacitivos e indutivos. Estes ultimos consistem numa

bobina em torno de um nucleo, cujas caracterısticas se alteram na presenca de

objetos magneticos como ımas, metais ferrosos, entre outros. Assim, sao sensores

empregados na deteccao de presenca, proximidade e passagem. Um exemplo de

sensor indutivo e mostrado na Figura 4.6.

A capacitancia de um sensor capacitivo depende da distancia entre duas placas.

50

Figura 4.5: Sensor ultrassonico com placa de circuito de saıda5

Se uma delas for movel e possıvel associar a sua posicao um valor de capacitancia

que pode ser usado para processar informacoes sobre a distancia em que ela se en-

contra. Assim, um sensor desse tipo pode ser elaborado simplesmente mantendo-se

uma armadura fixa e prendendo-se a armadura movel ao objeto que se pretende mo-

nitorar. Um medidor de pressao por diafragma, por exemplo, pode ter a armadura

movel presa a superfıcie que e deslocada pela pressao, provocando uma variacao na

capacitancia a partir da qual se determina a intensidade da pressao aplicada. Outra

aplicacao possıvel e a medida de nıvel em reservatorios, nos quais o proprio lıquido

armazenado exerce o papel de armadura movel. A Figura 5.1 mostra um exemplo

de sensores capacitivos para medicao do nıvel de lıquido.

Ainda em sensores eletromagneticos, mas um pouco a parte dos capacitivos

e indutivos, os sensores de efeito Hall se enquadram na categoria dos sensores

magneticos: quando um campo magnetico atua sobre uma placa condutora atraves

da qual passa uma corrente eletrica, essa corrente e desviada proporcionalmente.

Assim, atraves da medida de corrente eletrica, determina-se a intensidade do campo

51

Figura 4.6: Dois sensores indutivos, mostrando a possibilidade ou nao de deteccao

lateral, pela protuberancia da superfıcie ativa. 7

magnetico. Os sensores Hall tem a vantagem de serem lineares, muito sensıveis

e rapidos, porem requerem circuitos amplificadores de alto ganho. As aplicacoes

mais comuns para esses sensores sao a deteccao de movimento de partes mecanicas,

tacometros, controle de motores, etc.

Assim, considerando-se que o emprego de sensores se dara de forma cada vez

mais abrangente, entendida a logica por tras da manufatura avancada, avanca-se

para o objetivo desse trabalho. Dentre os tipos de sensores expostos acima, quais

sao os que apresentam uma tendencia de maior emprego nos proximos anos? Tal sera

respondido atraves das ferramentas de prospeccao tecnologica, aqui apresentadas no

Capıtulo 5.

52

Figura 4.7: Sensores de nıvel capacitivos8.

53

Capıtulo 5

Prospeccao Tecnologica e Uso de

Patentes

5.1 Prospeccao Tecnologica

Segundo do Nascimento [44] a prospeccao tecnologica pode ser definida como “um

meio sistematico de mapear desenvolvimentos cientıficos e tecnologicos futuros ca-

pazes de influenciar de forma significativa uma industria, a economia ou a sociedade

como um todo”. Caracterizado, entre outros fatores, por se tratar de um processo

e nao apenas de um conjunto de tecnicas, a prospeccao tecnologica se imbui de dois

objetivos basicos, a saber: Dar as empresas e instituicoes subsıdios que as permi-

tam direcionar seu esforco de inovacao para aproveitar ou enfrentar oportunidades

ou ameacas futuras, bem como fomentar o processo de construcao de um futuro

desejavel.

Uma premissa fundamental da prospeccao tecnologica e justamente a compre-

ensao de que nao se trata de antecipar um futuro unico, como algumas escolas

de estudos de futuro pregam [45], mas de construir os exercıcios de prospeccao

considerando-se a multitude de futuros possıveis. Na inovacao tecnologica, como

em outras areas, os avancos tecnologicos futuros dependem de modo complexo de

decisoes, tomadas no presente, que levam em consideracao um grande conjunto de

variaveis.

Ainda segundo do Nascimento [44], definem-se algumas outras caracterısticas da

Prospeccao Tecnologica:

54

• “Concentra-se em criar e melhorar o entendimento dos possıveis desenvolvi-

mentos futuros e das forcas que parecem molda-los

• Assume que o futuro nao pode ser cientificamente demonstrado a partir de

certas premissas. O ponto central e tratar quais as chances de desenvolvimento

e quais as opcoes para a acao no presente.

• Nao se espera um comportamento passivo frente ao futuro, mas um posicio-

namento ativo. O futuro sera criado pelas escolhas que forem feitas hoje.”

A abordagem adotada no exercıcio de prospeccao e tambem um fator importante

no que tange ao tipo de pesquisa sendo realizado. A literatura ([45], [44]) consagra

tres abordagens possıveis:

1. Abordagem baseada em inferencia – Uma das mais comuns, parte do pressu-

posto que o futuro tende a reproduzir, em alguma medida, os fenomenos ja

ocorridos. Pode ser realizada por analogia dos eventos historicos do problema

como por uma extrapolacao das tendencias encontradas, baseada em modelos

teoricos ou empıricos da realidade. Sua principal limitacao e desconsiderar a

possibilidade de rupturas e descontinuidades, como acontece por exemplo com

inovacoes disruptivas.

2. Geracao sistematica de trajetorias alternativas – Construcao de diversos

cenarios possıveis, sistematicamente, baseando-se em um processo de contra-

posicao das variaveis analisadas.

3. Construcao do futuro por consenso – Baseada em intuicao ou cognicao coletiva,

esta abordagem constroi visoes do futuro a partir das visoes pessoais e sub-

jetivas de especialistas ou outros grupos de indivıduos dotados de capacidade

de reflexao sobre os objetos do exercıcio de prospeccao

A partir de tais abordagens, pode-se agrupar as diversas metodologias daı de-

correntes em tres grupos principais [44]:

• Monitoramento (Assessment) — Consiste no acompanhamento da evolucao

dos fatos e na identificacao dos fatores portadores de mudancas, realizados de

forma sistematica e contınua.

55

• Previsao (Forecasting) – Consiste na realizacao de projecoes com base em

informacoes historicas e modelagem de tendencias.

• Visao (Foresight) — Consiste na antecipacao de possibilidades futuras com

base em interacao nao estruturada entre especialistas, cada um deles apoiados

exclusivamente em seus conhecimentos e subjetividades.

Entre tais metodologias, o Monitoramento e a Previsao sao preponderantemente

quantitativos, enquanto a Visao, a despeito de poder ser realizada atraves de dife-

rentes formas (questionarios, entrevistas, grupos de trabalho, etc...) e fundamental-

mente qualitativa.

Assim, o presente estudo tem por objetivo fornecer material a respeito de tecno-

logias de fabricacao mecanica que despontam hoje como tendencias para a industria

metalomecanica, entendidas dentro da logica da Manufatura Avancada ou Industria

4.0. Nesse sentido, a prospeccao tecnologica atraves de consultas a bases de paten-

tes figura como a alternativa mais interessante, haja vista os recursos e os prazos

disponıveis para o desenvolvimento do presente trabalho. A metodologia escolhida,

portanto, e fortemente baseada na Previsao.

Ao se atrelar a prospeccao tecnologica a pesquisas em bases de dados de patentes,

busca-se compreender como diferentes tecnologias posicionam-se entre si. Sao levan-

tadas as existentes, identificado o estagio de maturidade destas e como se inserem na

sociedade. Sao identificados tambem aspectos de tecnologias concorrentes e lacunas

a serem preenchidas, onde e possıvel que determinada tecnologia ou suas variacoes

sejam avaliadas como competitivas. Tambem podem ser levantados os inventores

que pesquisam o mesmo tema, paıses de origem das patentes, paıses onde ocorreram

os depositos, principais empresas depositantes e a classificacao dos depositantes das

patentes, entre outros dados [46].

5.2 Uso de Patentes

5.2.1 Definicao, Tipos e Sistemas de Patentes

A patente pode ser definida como um tıtulo de propriedade temporario outorgado

pelo Estado, por forca de Lei, ao depositante de um pedido, para que este exclua

56

terceiros, sem sua previa autorizacao, de atos relativos a materia protegida, tais

como fabricacao, comercializacao, importacao, uso, venda etc. As patentes tambem

sao definidas como um direito de exclusividade de exploracao tecnologica conferido

pelo Estado ao titular [44].

A Lei 9.279, de 14 de Maio de 1996 estabelece os criterios para o que pode ser

alvo de patente, bem como os requisitos para requisita-la [47]:

“Art. 8o E patenteavel a invencao que atenda aos requisitos de novi-

dade, atividade inventiva e aplicacao industrial.

Art. 9o E patenteavel como modelo de utilidade o objeto de uso

pratico, ou parte deste, suscetıvel de aplicacao industrial, que apresente

nova forma ou disposicao, envolvendo ato inventivo, que resulte em

melhoria funcional no seu uso ou em sua fabricacao.

(...)

Art. 11. A invencao e o modelo de utilidade sao considerados novos

quando nao compreendidos no estado da tecnica. § 1o O estado da

tecnica e constituıdo por tudo aquilo tornado acessıvel ao publico antes

da data de deposito do pedido de patente, por descricao escrita ou oral,

por uso ou qualquer outro meio, no Brasil ou no exterior(...).

(...)

Art. 13. A invencao e dotada de atividade inventiva sempre que, para

um tecnico no assunto, nao decorra de maneira evidente ou obvia do

estado da tecnica.

Art. 14. O modelo de utilidade e dotado de ato inventivo sempre

que, para um tecnico no assunto, nao decorra de maneira comum ou

vulgar do estado da tecnica.

Art. 15. A invencao e o modelo de utilidade sao considerados sus-

cetıveis de aplicacao industrial quando possam ser utilizados ou produ-

zidos em qualquer tipo de industria.”

Note-se que sao dois os objetos possıveis das patentes, a invencao ou o modelo

de utilidade. Este se refere a objetos, ja conhecidos, que sao utilizados ou dispostos

57

de uma nova forma, resultando em melhoria funcional em seu uso ou fabricacao .

Aquela se refere justamente a novos objetos ou inventos, ressalvado o disposto no

Art. 10 da Lei 9.279/1996.

Um ponto importante a respeito de patentes e que sua abrangencia e nacional,

devendo ser requisitada em cada paıs pelo inventor ou quem de direito, para que

tenha validade ali. Uma patente ja registrada e concedida nos EUA deve ser requisi-

tada no Brasil para ter validade aqui. A instituicao concedente do direito de patente

no Brasil e o Instituto Nacional de Propriedade Intelectual (INPI) , autarquia federal

vinculada ao MDIC.

5.2.2 Patentes como Informacao Tecnologica e Competicao

Fica claro que o sistema de patentes tem o potencial de ser uma enorme fonte de

informacao tecnologica para todos aqueles envolvidos com inovacao e tambem fa-

bricacao mecanica. Adicionalmente, as bases de patente determinam claramente o

conteudo necessario para que a patente seja concedida, e este conteudo e pratica-

mente padronizado ao redor do mundo, embora a ordem em que e apresentado possa

variar. Um pedido de patente deve conter [44]:

• Pagina inicial ou informacao bibliografica – Contem dados da patente como

tıtulo, numero, inventor, depositante, representante, datas de deposito e de

publicacao, dados da prioridade, classificacao, resumo, referencias citadas e

examinador (em alguns escritorios, como o USPTO);

• Relatorio descritivo – Tem algumas funcoes:

Define o campo da invencao, qual o estado da tecnica e os problemas

existentes que a invencao se propoe a resolver, fazendo referencia a outras

patentes e a literatura do campo;

Indica as vantagens e os objetivos da invencao;

Contem uma breve descricao dos desenhos;

Descreve a invencao de modo claro, preciso e suficiente para que a invencao

possa ser reproduzida por um tecnico no assunto, indicando o modo preferen-

cial de execucao e apresentando resultados de testes realizados, se existirem;

58

Indica a utilizacao industrial da invencao;

• Reivindicacoes – baseadas no relatorio descritivo, as reivindicacoes explicitam

as caracterısticas inventivas, em relacao ao estado da tecnica, para as quais se

deseja obter a protecao legal;

• Desenhos: apresentam os detalhes da invencao e identificam os elementos des-

critos no relatorio, atraves de sinais de referencia, para ilustrar a invencao;

• Resumo: sumario da invencao com a indicacao do seu campo, do problema

tecnico a ser resolvido e das principais caracterısticas da invencao.

Para alem da garantia do uso (e impedimento de uso) e uma nova invencao ou

modelo de utilidade, uma serie de outras possibilidades de uso podem ser dadas ao

sistema de patentes. E imediato perceber que a patente oferece informacoes sobre

o estado-da-arte de um dado setor tecnologico, uma vez que existe o requisito da

novidade e, necessariamente, o documento de patente descreve qual dificuldade esta

sendo transposta com o objeto da patente. Da mesma forma, em analisando-se

as patentes em series historicas, verifica-se a evolucao deste estado-da-arte, indi-

cando portanto possıveis caminhos de desenvolvimento deste. Vale citar que tais

informacoes podem ser utilizadas com razoavel especificidade atraves do uso da

Classificacao Internacional de Patentes(IPC) , que as divide justamente em campos

tecnologicos especializados.

Uma vez que a patente e valida apenas nacionalmente, um estudo atento dos re-

gistros nos diversos paıses pode demonstrar a difusao de uma certa tecnologia, assim

como servir de indicador para empresas, governos ou outras instituicoes, sobre a ra-

mificacao do desenvolvimento de uma area industrial naquele paıs. Alem disso, vale

ressaltar que o deposito muitas vezes e realizado muito antes da entrada do produto

no mercado. Se este produto e depositado em muitos paıses simultaneamente (for-

mando uma famılia de patentes), a probabilidade de ser importante, ou estrategico,

para o depositante e mais alta, o que pode servir de informacao estrategica para

seus parceiros ou concorrentes.

Finalmente, uma vez que a patente identifica e qualifica tanto o titular da mesma

como seu inventor, bem como seus dados de contato, e possıvel o contato com

estes, quaisquer os motivos. Por exemplo, e possıvel tentar um licenciamento da

59

tecnologia, venda da patente, obtencao de know-how, ou mesmo identificar empresas

ou indivıduos capacitados tecnicamente em um dado setor.

5.3 Mineracao de Dados

A mineracao de dados (data mining) e o processo de descobrir informacoes relevan-

tes, como padroes, tendencias, agrupamentos, anomalias e sequencias, em grandes

conjuntos de dados armazenados em banco de dados, depositos de dados ou outros

repositorios de informacao [48]. Normalmente, a analise desses dados e feita atraves

de algoritmos computacionais, com o auxılio de programas proprios para isso. Neste

trabalho, contudo, dado a quantidade modesta de informacoes a serem processa-

das, tal processamento sera feito utilizando as ferramentas de pesquisa proprias dos

bancos de dados pesquisados.

A funcao principal de tais programas especializados e a varredura de grande

quantidade de dados a procura de padroes e deteccao de relacionamentos entre

informacoes gerando novos sub-grupos de dados. A formacao de sub-grupos de

dados e feito atraves da execucao de algoritmos capazes de conhecer e aprender

mediante a varredura dessas informacoes. Baseado em sistemas de redes neurais,

esses dados sao examinados e pensados, gerando uma nova informacao associativa

com outros dados. A formacao de estatısticas tambem e uma de suas funcoes, e

uma vez geradas trazem resultados comparativos e levam a uma tomada de decisao

inteligente [44].

Em geral, um processo de descoberta de conhecimento consiste em uma iteracao

das seguintes etapas:

• Preparacao: e o passo onde os dados sao preparados para serem apresentados

as tecnicas de data mining. Os dados sao selecionados (quais os dados que sao

importantes), purificados (retirar inconsistencias e incompletude dos dados) e

pre-processados (reapresenta-los de uma maneira adequada para a mineracao).

• Data Mining : e onde os dados preparados sao processados, ou seja, e onde se

faz a mineracao dos dados propriamente dita. O principal objetivo desse passo

e transformar os dados de uma maneira que permita a identificacao mais facil

de informacoes importantes.

60

• Analise de Dados: o resultado da mineracao e avaliado, visando determinar se

algum conhecimento adicional foi descoberto, assim como definir a importancia

dos fatos gerados. Para esse passo, varias maneiras de analise podem ser

utilizadas, por exemplo: o resultado do data mining pode ser expresso em uma

figura, em que analise dos dados passa a ser uma analise do comportamento

da figura, assunto abordado na Secao 5.4.

5.4 Analise da Maturidade Tecnologica

O papel da inovacao na industria tem tomado uma dimensao cada vez maior. Nessa

procura, o desenvolvimento de produtos acaba tornado-se um ponto crucial na busca

por competitividade [49]. Consequentemente, a posse de patentes e a propriedade

intelectual como um todo tomam vulto. Na avaliacao dessas novas tecnologias,

projetos e ideias, e crescento o uso da Teoria para Resolucao de Problemas Inventivos

(TRIZ, uma sigla que vem do russo) [44].

Nascida justamente do uso de patentes como fonte de pesquisa para melhor en-

tender a inovacao, esta teoria foi desenvolvida por Altshuller na segunda metade

do seculo XX [50]. Ela pode ser definida como uma ferramenta de resolucao de

problemas, analise e previsao, derivada do estudo de padroes de invencao na litera-

tura global de patentes; uma metodologia sistematica para a solucao inventiva de

problemas, orientada ao ser humano e baseada em conhecimento [51].

Um dos axiomas da TRIZ e o de que existe uma evolucao dos sistemas tecnicos.

Para Altshuller, criador da TRIZ, a evolucao dos sistemas tecnicos ocorre de acordo

com a Curva S e as Leis da Evolucao dos Sistemas Tecnicos. A Curva S e a repre-

sentacao de qualquer fenomeno que possa ser descrito por uma variavel que cresce

no decorrer do tempo. A Curva S foi difundida para varias areas, inclusive a da

gestao da tecnologia, porque o desempenho de uma tecnologia cresce no tempo, de

acordo com o padrao da Curva S, conforme figura 5.1.

O padrao de crescimento de tecnologias pode ser descrito como tendo quatro

fases, separada por tres pontos crıticos. Inicialmente, ao ser descoberta a tecnologia,

o crescimento dela e lento, ate o ponto de inflexao α. A partir deste, o crescimento

acelera consideravelmente, ate chegar proximo a sua saturacao, e comeca a crescer

61

Figura 5.1: Curva S.1

com menor intensidade a partir do ponto β, a partir do qual considera-se que esta

proximo a atingir sua maturidade, o que ocorre em γ. Finalmente, a partir daı a

tecnologia entra em desuso e decadencia. Tal processo e mostrado na Figura 5.2(a).

As Figuras 5.2(b) e 5.2(c) mostram, segundo Altshuller, que o maximo nıvel

inventivo e o menor numero de invencoes acontecem na criacao do sistema, que

equivale ao trecho ate o ponto α. Em seguida, o numero de invencoes cresce, com as

tentativas de viabilizar tecnicamente o novo sistema, ate o ponto β. Depois disto,

a quantidade de invencoes cresce e o nıvel inventivo cai. Sao grandes quantidades

de invencoes, que trazem pequenas melhorias ao sistema. A ultima curva, mostrada

na Figura 5.2(d), representa o lucro obtido com as invencoes. No inıcio, ha perdas,

porque ha pouco reconhecimento pelo novo invento, ou ainda nao e de alcance para

a sociedade. O aumento e gradativo, atingindo o pico quando da maturidade do

sistema, no ponto γ.

As Curvas S podem ser utilizadas para prever, de forma aproximada, como e

62

(a) Curva-S (performance)

(b) Numero de Invencoes

(c) Nıvel das Invencoes

(d) Lucratividade das Invencoes

Figura 5.2: Relacao entre a curva-s, com seus pontos crıticos (α, β, γ) e o numero,

nıvel e lucratividade de invencoes. Todas sao apresentadas com o tempo no eixo das

abcissas, adimensional.3

quando uma dada tecnologia atingira seu limite. O limite de uma tecnologia e

definido por leis naturais, que determinam seu nıvel de desempenho maximo. A

Curva S e tracada a partir de dados historicos que, no caso deste trabalho, serao as

propriedades industriais ou patentes, emitidas entre 2011 e 2016. Um dos usos das

Curvas S e a analise de substituicao, ou seja, a previsao da taxa segundo a qual uma

nova tecnologia substituira uma tecnologia antiga numa determinada aplicacao [49].

63

Ainda de acordo com Altshuller apud do Nascimento [44], uma vez determinada

a posicao atual de um sistema na Curva S, ha tres possıveis implicacoes:

1. Se o sistema esta na infancia, ha a oportunidade de tentar viabiliza-lo, por

meio do incentivo a invencoes. Por outro lado, o caminho para o estagio

seguinte da Curva S, de rapido crescimento, comumente, e bloqueado pelo

sistema atualmente dominante;

2. Se o sistema esta no estagio de crescimento rapido, e preciso determinar o

limite fısico com base em fatores objetivos, de modo a decidir se ha espaco

para desenvolvimentos no sistema atual ou se seria melhor investir num novo

sistema, com maior limite fısico;

3. Se o sistema esta maduro ou em declınio, a melhor decisao e investir num novo

sistema, com maior limite fısico. A Curva S pode ser utilizada, portanto, como

um padrao auxiliar na analise evolutiva de sistemas tecnicos.

Desta forma, uma das analises feitas por esse projeto sera justamente avaliar e

identificar em que momento as tecnologias escolhidas para esse exercıcios de pros-

peccao tecnologica estao, quando comparadas a TRIZ e as fases propostas acima.

5.5 Bases de Patentes e Metodo de Pesquisa

As bases de patentes selecionadas foram aquelas que abrangem os paıses na lideranca

desse novo paradigma de fabricacao metalomecanica, a saber, a base do Escritorio

de Patentes e Marcas Registradas dos Estados Unidos (United States Patent and

Trademark Office - USPTO ) e a base Espacenet, do Escritorio Europeu de Patentes

(European Patent Office – EPO ).

A primeira, do USPTO, oferece acesso a documentos com texto completo e ima-

gem para patentes desde 1976 ou para documentos anteriores (desde 1790) somente

no formato de imagem. Essa base de dados, na realidade, e composta de duas bases

independentes, uma de pedidos de patentes e outra de patentes concedidas. Em

ambas, somente estao presentes os pedidos depositados e/ou publicados nos EUA.

A segunda, Espacenet, e mantida pelo Escritorio Europeu de Patentes (EPO),

contendo mais de 90 milhoes de patentes [52]. Ela e participante da iniciativa CASE,

64

da Organizacao Mundial de Propriedade Industrial (WIPO, do ingles World Intel-

lectual Property Organization) e assim contem patentes de diversos outros paıses,

nao apenas os europeus, como Canada, Australia e ate mesmo Brasil. Esta base da

acesso ao texto completo de grande parte dos documentos e permite a pesquisa pela

IPC ou pela Classificacao de Patentes Europeia (ECLA) atraves da Classificacao

Cooperativa de Patentes (CPC), uma versao mais especıfica e detalhada da IPC.

No Anexo I e mostrado mais detalhadamente o mecanismo de busca de ambas

as bases de patentes.

65

Capıtulo 6

Mecanismo de Busca e Resultados

6.1 Escolha dos Termos de Busca

Em face do exposto nos Capıtulos 3 e 4, a pergunta que procura-se responder e:

Dado o momento historico presente, com os movimento da manufatura avancada e

da Industria 4.0 a todo vapor, quais os tipos de sensores que tem maior capacidade de

emprego nos proximos anos, dentro da industria metalomecanica? Para responde-

la, lancar-se-a mao de buscas nos sistemas de patentes e atraves da metodologia

apresentada no capitulo 5. Para obter resultados relevantes para nosso trabalho, os

termos a serem pesquisados sao:

• “Optical Sensor”

• “Electric Sensor”

• “Magnetic Sensor”

• “Acoustic Sensor”

• “Thermal Sensor”

• “Mechanical Sensor”

Serao apresentados a seguir os resultados da busca de patentes para os ter-

mos selecionados, inicialmente buscados ano a ano e, posteriormente, consolidados,

considerando-se apenas os dados de 2011 ate 2016. Para cada ano, cada par de

termos de busca foi pesquisado no campo “tıtulo” e cada ano sendo relacionados ao

66

ano de publicacao da patente. As pesquisas foram realizadas do dia 28 de Janeiro de

2017 ate o dia 14 de Fevereiro de 2017. Para refinar os resultados, as patentes foram

abertas e consultadas individualmente, de forma a verificar se as patentes se encai-

xavam no estudo. Nessa primeira selecao, foram utilizados os seguintes criterios:

• Foram retiradas duplicatas ou resultados que, na realidade, tratam de outros

tipos de tecnologia, mas contem os termos pesquisados;

• Foram tambem retirados os resultados em que a inovacao se dava em outras

partes do objeto da patentes, mas esta se utilizava de sensores do tipo pesqui-

sado;

• Metodos de fabricacao e montagem de sensores nao foram retirados, por

entender-se que representam investimento na tecnologia em questao, indicando

um esforco de inovacao;

• Quando um mesmo autor realizava uma serie de patentes, de um mesmo objeto,

com apenas melhorias incrementais, cada serie foi contada como apenas uma

patente, para computo estatıstico.

Na intencao de validar os resultados, foi feita uma outra busca na base de dados

somente com as classificacoes de sensores de acordo com a CPC. Com o auxılio do

Guia para a Classificacao Internacional de Patentes (IPC) da Organizacao Mundial

de Propriedade Intelectual [53] e da Publicacao Oficial desta no site do INPI [54],

foram localizadas as classificacoes que se aplicam aos sensores como um todo, a

saber: G06F 3/00 e G01L 9/00. Buscou-se todas as patentes que estavam nestas

classificacoes em cada uma das bases, ano a ano, e comparou-se o numero de patentes

obtidas pelo mecanismo de busca citado acima e o que representa todo o universo de

sensores, de acordo com o CPC, sendo obtida a porcentagem que aqueles representam

destes. Uma vez que o CPC nao dispoe de subclassificacoes de acordo com a grandeza

medida, nao foi possıvel realizar tal levantamento ano a ano, mas os resultados foram

refinados de acordo com os mesmos criterios. Os resultados sao apresentados na

Tabela 6.1.

Nota-se que os resultados representam, via de regra, uma alta porcentagem do

total de patentes nestas classificacoes. As grandes diferencas notadas nas duas bases

67

Tabela 6.1: Tabela com o comparativo dos resultados obtidos com o metodo do

autor e com o CPC

USPTO Espacenet

Ano Metodo do Autor CPC Metodo do Autor CPC

2011 205 210 97% 142 126 112%

2012 235 265 90% 131 176 74%

2013 285 374 77% 134 200 67%

2014 303 438 69% 158 209 76%

2015 300 530 57% 145 206 71%

2016 323 654 49% 153 272 56%

em 2016 e na base do USPTO em 2015 (abaixo de 60% de resultados obtidos pelo

metodo do autor versus a classificacao do CPC) devem-se principalmente a um

crescimento do numero de sensores quımicos patenteados nestes anos, entre eles

algumas referentes a sensores para uso em testes laboratoriais e de saude.

Uma ultima consideracao que deve ser feita e que nao foi realizada uma busca na

base do INPI por considerar-se que o Brasil nao apresenta, no presente momento,

uma base industrial suficientemente envolvida com as tecnicas e tecnologias da Ma-

nufatura Avancada. Tal afirmativa e embasada em estudos[55, 4, 55, 44, 40, 41] que

demonstram que, via de regra, a maioria das industrias brasileiras nao apresenta

uma inclusao significativa das tecnologias pertencentes ao estado da tecnica em seus

processos produtivos. Alem disso, sao poucas as que investem somas significativas

em inovacao e pesquisa, em plantas no territorio nacional, tendo a maioria apenas

departamentos de pesquisa e desenvolvimento responsaveis por adequar inovacoes

vindas de matrizes no exterior a realidade nacional.

Ao final do capıtulo, serao apresentadas algumas analises a respeito dos dados,

e as conclusoes apresentadas no Capıtulo 7. Os dados de prospeccao sao tambem

apresentados, na ıntegra, em tabelas no Apendice A.

68

6.2 Resultados Consolidados de Buscas de Paten-

tes

6.2.1 Pesquisa na Base de Dados do USPTO

Sensores Oticos

A Figura 6.1 mostra os resultados de 2011 a 2016 da busca pelos termos sensor

(“sensor”) e otico (“optical”) na base USPTO.

Figura 6.1: Grafico com as patentes pesquisadas de sensores oticos, discriminando

a quantidade de patentes concedidas no ano, aquelas descartadas, e a quantidade

apos o refino.

Sensores Eletricos


(“sensor”) e eletrico (“electric”) na base USPTO.

69

Figura 6.2: Grafico com as patentes pesquisadas de sensores eletricos, discriminando


apos o refino.

Sensores Magneticos


(“sensor”) e magnetico (“magnetic”) na base USPTO.

Figura 6.3: Grafico com as patentes pesquisadas de sensores magneticos, discri-

minando a quantidade de patentes concedidas no ano, aquelas descartadas, e a

quantidade apos o refino.

Sensores Acusticos


(“sensor”) e acustico (“acoustic”) na base USPTO.

70

Figura 6.4: Grafico com as patentes pesquisadas de sensores acusticos, discriminando


apos o refino.

Sensores Termicos


(“sensor”) e termico (“thermal”) na base USPTO.

Figura 6.5: Grafico com as patentes pesquisadas de sensores termicos, discriminando


apos o refino.

Sensores Mecanicos


(“sensor”) e mecanico (“mechanical”) na base USPTO.

71

Figura 6.6: Grafico com as patentes pesquisadas de sensores mecanicos, discrimi-

nando a quantidade de patentes concedidas no ano, aquelas descartadas, e a quan-

tidade apos o refino.

Fica claro que existe uma preponderancia de duas tecnologias sobre as demais,

com sensores oticos e magneticos em plena difusao. E interessante notar tambem,

nas Figuras 6.1 e 6.3 que o numero de patentes rejeitadas para essas tecnologias

tambem cresceu, o que esta relacionado principalmente a um maior numero de pa-

tentes concedidas a aplicacoes destes sensores em diversos mecanismos e dispositi-

vos. Entre os sensores oticos, seu uso foi principalmente em tecnologias de interface

homem-maquina, enquanto os magneticos sao aplicados comumente a gravacao e

leitura de dados em discos rıgidos.

Dentre as tecnologias menos patenteadas, a unica que demonstra algum cres-

cimento, embora tımido, sao os sensores acusticos. Tal se deve principalmente ao

desenvolvimento de novos arranjos e empregos em duas grandes areas, de audio

(microfones, fundamentalmente) e em prospeccao e monitoramento na industria do

petroleo. As demais tecnologias demonstram um comportamento bem estavel, nao

apresentando tendencia nem de crescimento nem de reducao do numero de patentes

concedidas. E oportuno notar que estas sao tecnologias menos afeitas a microe-

letronica, e que ja sao mais bem conhecidas que as demais, pois formaram a base

tecnologica da primeira e segunda revolucao industrial.

72

6.2.2 Pesquisa na Base de Dados Espacenet

Sensores Oticos


(“sensor”) e otico (“optical”) na base Espacenet.

Figura 6.7: Grafico com as patentes pesquisadas de sensores oticos, discriminando


apos o refino.

73

Sensores Eletricos


(“sensor”) e eletrico (“electric”) na base Espacenet.

Figura 6.8: Grafico com as patentes pesquisadas de sensores eletricos, discriminando


apos o refino.

74

Sensores Magneticos


(“sensor”) e magnetico (“magnetic”) na base Espacenet.

Figura 6.9: Grafico com as patentes pesquisadas de sensores magneticos, discri-



Sensores Acusticos


(“sensor”) e acustico (“acoustic”) na base Espacenet.

Figura 6.10: Grafico com as patentes pesquisadas de sensores acusticos, discrimi-



75

Sensores Termicos


(“sensor”) e termico (“thermal”) na base Espacenet.

Figura 6.11: Grafico com as patentes pesquisadas de sensores termicos, discrimi-



Sensores Mecanicos


(“sensor”) e mecanico (“mechanical”) na base Espacenet.

Figura 6.12: Grafico com as patentes pesquisadas de sensores mecanicos, discri-



76

Foram consultadas 3135 patentes em ambas as bases, sendo que destas, 2518

foram consideradas dentro do tema apos o processo de refino dos resultados (uma

incidencia de 80,3% de resultados positivos). Destes, apos o refino, 1110 se referiam

a sensores oticos, 851 a sensores magneticos, 198 a sensores acusticos, 169 a sen-

sores termicos, 108 a sensores eletricos e apenas 82 a sensores mecanicos. Dentre

estes ultimos, vale ressaltar a grande incidencia dos sistemas microeletromecanicos

(MEMS – da sigla em ingles Microelectromechanical Systems), seja como compo-

nentes de sensores ou como os proprios. A Tabela 6.2 mostra um quadro resumo

com os resultados, ja refinados, da busca.

6.3 Discussao dos Resultados

Inicialmente, nota-se que houve uma tendencia, em todas as tecnologias prospec-

tadas nos EUA, a uma tendencia de crescimento no numero de patentes (bruto) a

cada ano. Mais do que refletir seu posicionamento em algum dos estagios de vida da

tecnologia, conforme preconizado no Capıtulo 4, entende-se que tal comportamento

refere-se a maior importancia dada a propriedade intelectual por parte dos invento-

res e empresas. Tal suposicao se confirma ao perceber que o mesmo comportamento

e visto em todas as tecnologias, e nao apenas em uma ou outra.

Na Europa, tal crescimento so se verifica nas duas principais tecnologias, que se

assemelham aquelas de destaque nos EUA, coerentemente. Tal aumento, no entanto,

e bem mais tımido, tanto em escala como em valor da taxa de variacao. O comporta-

mento ano a ano de cada tecnologia e mostrado, para cada Base, comparativamente,

nas Figuras 6.13 e 6.14.

77

Tabela 6.2: Quadro-resumo do levantamento de patentes nas bases do USPTO e na

Espacenet

USPTO

Oticos Eletricos Termicos Magneticos Acusticos Mecanicos

2011 83 10 16 78 11 7

2012 90 11 23 86 22 5

2013 136 7 17 96 22 9

2014 121 15 19 110 27 11

2015 130 11 20 101 30 8

2016 137 16 20 114 28 8

Total 697 70 115 585 140 48

Espacenet

2011 68 5 6 47 13 3

2012 64 6 9 32 10 10

2013 59 6 10 46 9 4

2014 72 7 9 53 13 4

2015 78 5 11 38 7 6

2016 72 9 9 50 6 7

Total 413 38 54 266 58 34

78

Figura 6.13: Grafico mostrando o numero de patentes concedidas pelo USPTO nas

diferentes tecnologias de sensores ano a ano. Dados apos o refino.

Figura 6.14: Grafico mostrando o numero de patentes concedidas pelo Escritorio

Europeu de Patentes nas diferentes tecnologias de sensores ano a ano. Dados apos

o refino.

Outra caracterıstica que deve ser citada e a grande diferenca entre a quantidade

de patentes. Enquanto na USPTO foram encontradas 2085 patentes, sendo 1655

aplicaveis a esse exercıcio(79,4% de resultados positivos), a busca na Espacenet re-

sultou em 1050 patentes levantadas com 863 aplicaveis, um percentual de 82,2% de

resultados positivos. As patentes pesquisadas foram somente aquelas depositadas

no escritorio europeu, nao sendo consultados os bancos de dados de escritorios na-

cionais. Ainda assim, considerando-se que a quantidade de patentes concedidas na

Europa e metade da concedida nos EUA, e muitas delas apareceram em ambas as

consultas, e possıvel ver que o esforco de inovacao no velho continente nao deu a

79

mesma importancia aos sensores que os EUA. Para alem disso, e possıvel que tal

diferenca tambem se de em funcao da existencia de uma serie de programas, capita-

neados pelo Instituto Nacional de Padroes e Tecnologias dos EUA (NIST – do ingles

National Institute of Standards and Technology), muitos dos quais sao focados em

sensores e sua integracao em rede. Nao ha, na Europa, uma iniciativa com esse grau

de centralizacao e abrangencia.

Em seguida, nota-se uma primeira similaridade, que e a predominancia dos sen-

sores magneticos e oticos, embora seu crescimento seja bem mais modesto. Alem

disso, nao se pode notar, a partir dos dados, um crescimento do numero de patentes

em todas as tecnologias, sendo que muitas delas nao apresentam nenhum padrao

de crescimento ou retracao bem definido. Adicionalmente, aos sensores acusticos

nao se associa um crescimento na Europa como nos EUA. Tal fato pode se dever

a menor presenca de campos de perfuracao e exploracao de petroleo naquela, pois

neste tal foi um dos grandes incentivos a inovacao desta tecnologia de sensores. A

despeito disso tudo os sensores mecanicos tambem nao tem uma representatividade

expressiva, com 2,9% e 3,9 % nos EUA e Europa, respectivamente.

80

Capıtulo 7

Conclusao e Consideracoes Finais

7.1 Conclusao

No paradigma da Manufatura Avancada, um dos pontos mais centrais e o desen-

volvimento e adocao das chamadas fabricas inteligentes. Estes espacos, para alem

da manufatura integrada por computadores ou do comando numerico, se caracte-

riza pelo sensoriamento completo das linhas de producao e dos produtos, reunindo

em rede os dados e permitindo, por estas mesmas redes, o gerenciamento de todo

o processo produtivo. A Internet das Coisas ira perpassar etapas, equipamentos

e dispositivos moveis utilizados por operadores e gerentes, permitindo uma inte-

gracao vertical completa da manufatura atraves dela. Alem disso, e esperado o uso

paulatinamente mais intensivo e extensivo de interfaces homem-maquina por reali-

dade aumentada e realidade virtual, mudando nao apenas a maneira do operador

trabalhar, como as qualificacoes e a formacao dele exigida.

Sem sombra de duvida, os avancos da microeletronica na terceira revolucao indus-

trial viabilizaram uma serie de tecnologias hoje em desenvolvimento ou ja emprega-

das, de forma que a visao da Industria 4.0 tornasse-se almejavel. Desde a fabricacao

por comando numerico computacional ate dispositivos de identificacao por radio, a

maneira da industria metalomecanica operar foi profundamente alterada. Novos ar-

ranjos das linhas de producao, novas relacoes entre operarios e produtos produzidos

e novas maneiras de se fazer negocios se desenvolvem e evoluem, mesmo nos dias de

hoje.

Nao surpreendentemente, um ramo tecnologico fundamental para essa integracao

81

virtual do processo de fabricacao, os sensores, tambem reflete, na medida do possıvel,

a logica ora em voga. Aqueles que podem se integrar a era dos smartphones e da

internet das coisas estao em franco crescimento, como visto no caso dos sensores

magneticos, oticos e dos MEMS. Assim, pode-se esperar que a tendencia tecnologica

de modernizacao dos sensores, seja justamente atraves destas duas tecnologias, que

ja abrangem e sao utilizadas em diversos pontos da industria metalomecanica.

Sua larga utilizacao em dispositivos eletronicos ou de nanotecnologia contribui,

e muito, para o esforco de inovacao percebido na prospeccao tecnologica em base de

patentes, por sua vez validada comparando-se os resultados obtidos de acordo com os

mesmos criterios pelo metodo do autor e pela Classificacao Cooperativa de Patentes.

Dentre os resultados levantados, a maioria mostrou que os resultados obtidos pelo

metodo do autor representam mais de 60% do total de patentes registradas pelo

CPC.

Dentre os resultados notaveis, pode-se citar que houve uma tendencia, em todas

as tecnologias prospectadas nos EUA, a uma tendencia de crescimento no numero de

patentes (bruto) a cada ano. Mais do que refletir seu posicionamento em algum dos

estagios de vida da tecnologia, entende-se que tal comportamento refere-se a maior

importancia dada a propriedade intelectual por parte dos inventores e empresas,

o que se confirma ao perceber que o mesmo comportamento e visto em todas as

tecnologias. Na Europa, tal crescimento so se verifica nas duas principais tecnologias,

que se assemelham aquelas de destaque nos EUA, coerentemente. Tal aumento, no

entanto, e bem mais tımido, tanto em escala como em valor da taxa de variacao.

Outro resultado relevante e a grande diferenca entre a quantidade de patentes.

Enquanto na USPTO 79,4% dos resultados foram relevantes, a busca na Espacenet

resultou em um percentual de 82,2% de resultados positivos. Considerando-se que

a quantidade de patentes concedidas na Europa e metade da concedida nos EUA,

e um numero consideravel destas apareceram em ambas as consultas, e possıvel ver

que o esforco de inovacao naquela nao deu a mesma importancia aos sensores que

este. Tal diferenca tambem pode estar relacionada a nao haver, na Europa, uma

iniciativa com a centralizacao e abrangencia do Escritorio Americano de patentes.

Na Europa pode-se notar, a partir dos dados, que muitas delas nao apresentam

nenhum padrao de crescimento ou retracao bem definido. Adicionalmente, aos sen-

82

sores acusticos nao se associa um crescimento na Europa como nos EUA. Tal fato

pode se dever a menor presenca de campos de perfuracao e exploracao de petroleo

na Uniao Europeia, pois na America do Norte esse foi um dos grandes incentivos a

inovacao desta tecnologia de sensores.

7.2 Consideracoes Finais

O campo de estudos sobre inovacao na industria metalomecanica e extremamente

vasto. O presente estudo, ateve-se a um pequeno retrato da realidade mundial de

tal area, demonstrando suas raızes historicas. Dentre 28 tecnologias citadas [11]

uma foi escolhida como objeto de prospeccao tecnologica e estudo de tendencias e

alguns resultados ja foram notados, a despeito de deixar-se de lado bases de dados

de outras grandes potencias industriais como China, Japao e Coreia do Sul. Para

futuros trabalhos, sugere-se:

• Realizar prospeccoes de patentes em bases das grandes potencias asiaticas,

especificamente China, Japao e Coreia do Sul, no intuito de comparar com o

cenario existente no ocidente.

• Realizar prospeccoes de patentes em bases nacionais de cada paıs europeu,

objetivando identificar variacoes entre eles.

• Realizar prospeccoes de patentes na base do INPI, para quantificar a relevancia

do mercado brasileiro em termos de patentes e inovacao.

• Realizar o estudos de tendencias com outras tecnologias envolvidas na fa-

bricacao mecanica, listadas no Capıtulo 3.

• Realizar o levantamento de tendencias tecnologicas de sensores de acordo com

suas outras classificacoes, listadas no Capıtulo 4.

• Dentre as patentes levantadas identificar geograficamente os autores, princi-

palmente na base Europeia, para indicar qual a origem das patentes, e nao

apenas sua vigencia.

• Quantificar as patentes presentes em mais de uma base, correlacionando sua

abrangencia com sua origem.

83

Em suma, e razoavel e interessante sugerir que o presente estudo seja expandido,

de forma obter um retrato mais abrangente e mais profundo da situacao, em termos

de inovacao, das tecnologias envolvidas na Manufatura Avancada e dos sensores,

especificamente. O momento atual e de extremo dinamismo e de mudancas rapidas,

caracterısticas que vem se acentuando nos ultimos anos e tendem a continuar tal

exacerbacao. Estudos que almejam entender as possibilidades e chances de acoes no

presente tornam-se, assim, ferramentas uteis na construcao de um futuro desejavel.

84

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[58] NAVEIRO, R. M., “Slides de Aula de Tecnologia Metalurgica”, 2014.

91

Apendice A

Tabelas com Dados da Prospeccao

Tecnologica

A.0.1 Base de dados do USPTO

Sensores Oticos

Ano Bruto Rejeitados Refinado

2011 99 16 83

2012 114 24 90

2013 156 20 136

2014 156 35 121

2015 161 31 130

2016 182 45 137

Sensores Eletricos


2011 17 7 10

2012 22 11 11

2013 22 15 7

2014 23 8 15

2015 28 17 11

2016 24 8 16

92

Sensores Magneticos


2011 80 2 78

2012 94 8 86

2013 105 9 96

2014 129 19 110

2015 129 28 101

2016 141 27 114

Sensores Acusticos


2011 12 1 11

2012 26 4 22

2013 24 2 22

2014 32 5 27

2015 30 0 30

2016 30 2 28

Sensores Termicos


2011 21 5 16

2012 27 4 23

2013 26 9 17

2014 33 14 19

2015 32 12 20

2016 33 13 20

93

Sensores Mecanicos


2011 10 3 7

2012 12 7 5

2013 17 8 9

2014 16 5 11

2015 10 2 8

2016 12 4 8

A.0.2 Base de dados Espacenet

Sensores Oticos


2011 99 16 83

2012 114 24 90

2013 156 20 136

2014 156 35 121

2015 161 31 130

2016 182 45 137

Sensores Eletricos


2011 17 7 10

2012 22 11 11

2013 22 15 7

2014 23 8 15

2015 28 17 11

2016 24 8 16

94

Sensores Magneticos


2011 80 2 78

2012 94 8 86

2013 105 9 96

2014 129 19 110

2015 129 29 101

2016 141 27 114

Sensores Acusticos


2011 12 1 11

2012 26 4 22

2013 24 2 22

2014 32 5 27

2015 30 0 30

2016 30 2 28

Sensores Termicos


2011 21 5 16

2012 27 4 23

2013 26 9 17

2014 33 14 19

2015 32 12 20

2016 33 13 20

95

Sensores Mecanicos


2011 10 3 7

2012 12 7 5

2013 17 8 9

2014 16 5 11

2015 10 2 8

2016 12 4 8

96

Anexo I

Roteiro de Busca nos Bancos de

Patentes

Neste anexo sera ilustrado o mecanismo de busca nos sites e diretorios que reunem

as patentes internacionais USPTO e ESPACENET. Adaptado de [55].

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Tendências Tecnológicas de Modernização na Indústria ... · Mariano Ramos, Daniel Tend^encias...

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