Ecossistema digital para manufatura aditiva habilitado por cadeia digital e gêmeo digital baseados em padrões

Abstract

Nos sistemas modernos de manufatura, a integração das tecnologias de Digital Thread (DTh) e Digital Twin (DTw) tornou-se um pilar essencial para alcançar uma orquestração fluida de dados ao longo do ciclo de vida do produto. Essas tecnologias têm o potencial de revolucionar a manufatura, permitindo conectividade aprimorada, monitoramento em tempo real e tomada de decisões avançada. Este trabalho propõe uma estrutura de ecossistema digital baseada em tecnologias de DTh e DTw fundamentadas em padrões, tendo o STEP-NC como padrão central. Com base na interface estrutural da ISO 23247, o ecossistema integra padrões abertos fundamentais como STEP, STEP-NC, MTConnect, OPC-UA, MQTT e QIF, permitindo interoperabilidade e troca de dados contextualizaos ao longo do ciclo de vida daos procesos de manufatura. O STEP-NC enriquece o ecossistema com dados contextuais detalhados sobre produtos, processos e máquinas, promovendo o desenvolvimento de DTw para monitoramento virtual, otimização e tomadas de decisão informadas. Para validar o ecossistema digital proposto, diversos cenários de implementação foram desenvolvidos. Um cenário de usinagem robótizada demonstrou a adaptabilidade do STEP-NC para programar e simular operações de usinagem com um robô industrial ASEA, evidenciando seu potencial enquanto foram identificadas áreas para refinamento. Para a manufatura aditiva, o STEP-NC foi adaptado para o processo de FDM, permitindo a simulação de trajetórias de deposição com um modelo virtual 3D de uma impressora 3D RepRap. Complementarmente, o MTConnect foi utilizado para estabelecer um sistema de monitoramento em tempo real, fornecendo informações detalhadas sobre os parâmetros de extrusão e o progresso da construção. A simulação de trajetórias de ferramenta para Deposição de Metal a Laser (LMD) utilizando um robô Kuka KR70 destacou a capacidade do STEP-NC em suportar processos complexos de AM com metais, enfatizando a importância da integração de modelos cinemáticos do robô para uma validação realista das trajetórias de deposição. Além disso, novos modelos de STEP-NC em EXPRESS foram propostos para FDM e LMD, abordando parâmetros específicos dos processos e avançando nos esforços de padronização. Esses modelos aprimoram significativamente a representação das tecnologias dentro da norma STEP-NC, oferecendo um caminho para uma adoção mais ampla. Por fim, foi desenvolvida uma biblioteca STEP-NC baseada em TypeScript para facilitar a serialização de modelos e a integração baseada na web, embora a automação futura da geração de classes TypeScript a partir de modelos EXPRESS permaneça uma área essencial de trabalho. Em conclusão, esta tese contribui significativamente para o avanço do STEP-NC como um elemento central de um ecossistema digital abrangente. O framework proposto e os cenários de implementação desenvolvidos ressaltam seu potencial transformador, ao mesmo tempo em que identificam áreas críticas para pesquisas futuras e refinamentos visando sua adoção plena na manufatura moderna.