Simulação de variações na garantia da qualidade geométrica de tubulações industriais

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2020.A quarta revolução industrial, relacionada ao conceito de Indústria 4.0, tem despertado a digitalização da manufatura, através de tecnologias que constroem e amplificam umas às outras, conectando sistemas físicos e virtuais. Nesse sentido, a indústria de tubulações (spools) pode fazer uso de tecnologias digitais, fundamentadas no computador, a fim de adequar-se aos novos rumos da indústria e trazer mais valor para seus processos. Neste trabalho, é explorado o uso do gêmeo digital que, germinado como uma representação válida de uma entidade física, é capaz de incorporar modelos da realidade e realiza experimentos virtuais. A finalidade atribuída a esse protótipo digital busca garantir a qualidade geométrica dos spools, contribuindo com o controle e compreensão das variações dimensionais, bem como com a percepção sobre a impossibilidade de fabricar qualquer peça ou artefato sem desvios com referência à geometria desejada, mas que podem ser previstos e atenuados. Para tanto, são explorados os principais métodos, abordagens e ferramentas que envolvem o processo de garantia da qualidade geométrica. Com isso, dados são reunidos, armazenados e estruturados em um ambiente de gestão do ciclo de vida do produto, favorecendo o fluxo de informação e conhecimento entre as diferentes etapas de desenvolvimento do produto. De posse desses dados, é criada uma representação abrangente da geometria do spool e de seus componentes (tubos, curvas e flanges), viabilizando a construção de um modelo de análise de variações capaz de simular processos de fabricação e montagem, a fim de prever quantidades e causas de variação. Para experimentação virtual, é desenvolvida uma estratégia que permite observar e analisar as variações em casos intra spool e entre spools: o primeiro, relacionado ao spool como uma unidade individual; o segundo, relacionado à linha de tubulações, buscando prever problemas de montagem on-site. Esses experimentos consomem dados de projeto, fabricação e montagem, descritos em normas e documentos vigentes. Os resultados obtidos suscitam a interpretação de que a tolerância dimensional e geométrica pode ser adotada para estimar a capacidade do processo e para conhecer os agentes contribuintes para variação total. No entanto, os resultados também indicam que algumas normas e documentos vigentes definem especificações que comprometem requisitos funcionais do spool e da linha. De todo modo, o principal resultado obtido nesta pesquisa é a possibilidade de despertar um gêmeo digital para garantia da qualidade geométrica de tubulações industriais.Abstract: The 4th industrial revolution, inside the concept of Industry 4.0, has raised the digitalization of manufacturing, through technologies that build and amplify each other, connecting physical and virtual systems. Inside this context, the piping/spool industry might use digital computer based technologies, in order to be aligned with the new directions of the Industry, bringing more value to its processes. The present work explores the use of a digital twin (DT) that, built as true representation of a physical entity, is able to embody models of the reality to carry out virtual experiments. The digital prototype main purpose is to assure the geometry quality of the spool, contributing with both control and comprehension of the dimensional variations, as well as the perception regarding the impossibility of a part or artifact being manufactured without geometric deviations, making possible to predict or mitigate those deviations. For this purpose, this work explores the main methods, approaches and tools for geometry quality assurance. To achieve this, data is gathered, stored and organized in a product life cycle management environment, promoting a flow of information and knowledge throughout the stages of product development. From this data, is possible to create a comprehensive model for the geometry of the spool and its components (pipes, elbows and flanges), enabling the creation of a variation analysis model capable of simulating the manufacture and assembly processes, in order to predict the amount and the causes of variation. For the virtual experiment, a strategy is developed to observe and analyze the variations for intra-spool cases, considering the spool as a single unit; and for cases between spools, related to piping lines, trying to predict assembly issues on-site. These experiments use project, manufacture and assembly data described in standards and current documents. The obtained results lead to an interpretation that the geometric and dimensional tolerances can be adopted to estimate the process capability and to identify the contributing factors for the total variation. However, the results also suggest that some standards and current documents have specifications that compromise functional requirements of both spool and line. In any event, the main result obtained in this research is the possibility of generating a digital twin for geometry quality assurance for industrial piping