Aplicação do conceito de Digital Twin : implementação de um sistema de manutenção preditiva para impressoras 3D

Abstract

Nos últimos anos a quarta revolução industrial, também chamada de Indústria 4.0, surgiu graças às tecnologias habilitadoras como Cyber-Physical Systems (CPS), Internet of Things (IoT), Cloud computing, Blockchain, etc. A Industria 4.0 é considerada uma estrutura tecnológica que possibilita a integração e a extensão dos processos de fabricação afetando desta forma todo o ciclo de vida de um produto, desde sua concepção até seu declinio. Para realizar a implementação da industria 4.0 é necessário dois elementos, dados do sistema e um mecanismo que possibilite a convergência entre o modelo físico e o modelo virtual. Um desses mecanismos é o Digital Twin, que oferece não apenas o monitoramento e o gerenciamento sistema, mas também permite realizar simulações no modelo virtual e atuar diretamente no sistema. A utilização do Digital Twin pode ser feita em diversar áreas da industria manufatureira, uma dessas áreas é a area da área manutenção, em especial a manutenção preditiva. A manutenção preditiva pode ser voltada tanto para realizar o diagnóstico ou o proagnóstico do sistema. Nesse trabalho foi desenvolvido um sistema de manutenção preditiva na manufatura aditiva, também conhecida como impressão 3D. Foi utiliza o conceito de Digital Twin para realizar o diagnóstico de uma impressora 3D do tipo Fused Deposition Modeling (FDM), possibilitando, desta forma, o monitoramento do estado da impressora e a atuação direta na operação. O monitoramento da impressora foi feita a partir de dados coletados de sensores que foram instalados nela. Já atuação na impressora 3D utilizada foi feita de duas forma diferentes, sendo o cancelamento da operação ou então a pausa da operação. Para auxiliar no desenvolvimento do sistema, foi utilizado o Diagrama em V que é uma ferra menta que auxilia no desenvolvimento de sistemas complexos, possuindo seu foco principal nas partes interessadas no sistema que foi criado. Portanto, foi necessário mapear quem são os stakeholders do sistema de manutenção preditiva e realizar o levantamento de quais a necessidades que o sistema construído deve suprir, para que dessa forma essas necessidades fossem transformadas em requisitos técnicos para que fosse possivél aa implementação do sistema. Entre os vários requisitos levantados foi escolhido realizar a parte de sensoriamento da impressora que consistiu em detectar falhas de extrusão de filamento, falhas no nivelamento da mesa e falhas de perda de passo, além de realizar um levantamento inicial sobre a relação entre a vibração e a tensão da correia da impressora. Para detecção de falhas de extrusão foi utilizado um sensor de filamento inteligente que, além de detectar se existe filamento no sistema, também é capaz de detectar a existência de fluxo de filamento, no qual, quando não há fluxo, significa que poblemas de extrusão estão ocorrendo e, desta forma, ocorre uma atuação no sistema pausando a impressão. Para detectar falhas no nivelamento da mesa foi utilizado um BLTouch que mede a distância entre o bico da impressora e a mesa, no qual, caso o valor medido sejá maior que um limiar previamente definido, significa a mesa de impressão está desnivelada, precisando assim de manutenção. Logo, é feita uma atuação no sistema para cancelar a impressão. Para realizar a detecção de falhas decorrentes de perda de passo no motor que realiza a movimentação do extrusor, foi utilizada uma câmera que captura frames da peça sendo produzida que são utilizados por uma inteligência artificial capaz de indentificar falhas na peça ocassionadas pela perda de passo no motor. Nesse caso, quando uma falha é detectada, a atuação no sistema depende da gravidade dessa falha. Já em relação ao levantamento da relação entre a vibração do extrusor e a tensão na correia, foi utilizado um acelerômetro de 3 eixos para mensurar a vibração do extrusor e nos dados obtidos foi aplicado uma FFT, de forma a obter os espectros que compõem a forma de onda de cada eixo, permitindo realizar uma análise visual para verificar se existe a relação. A partir do trabalho desenvolvido foi possível realizar o levantamento de trabalhos futuros que podem ser desenvolvidos como etapas para a implementação de um sistema de Digital Twin completo, com todas as suas funcionalidades.