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What is Industry 4.0 and how does it relate to O-ring seals?

Overview Today we are living a new revolution, the so-called fourth revolution or Industry 4.0, and it is necessary to be well informed about it, participating as a protagonist and not only as a follower. The term Industry 4.0 (i4.0) refers to the conjunction of technological changes in manufacturing, where operational priorities are established based on a new [...]

Overview

 

Today we are living a new revolution, the so-called fourth revolution or Industry 4.0, and we must be well informed about it, participating as a protagonist and not just as a follower.

The term Industry 4.0 (i4.0) refers to the conjunction of technological changes in manufacturing, where operational priorities are established from a fully connected structure, aiming at the global competitiveness of industries. 

The Industry 4.0 concept was established by the German government in 2011 and represents significant changes in many professions, directly impacting the training of people, who will have to learn new skills due to the use of high-tech devices that will become indispensable equipment for daily activities, and you are no exception.

This article will explain the global definition of Industry 4.0 and the importance of using highly durablethat will ensure the continuity of automated operations with minimal human input.

 

Industry 4.0 at a glance

 

We will start by analyzing the main concepts surrounding the 4th industrial revolution, standardizing the language concepts. We will now go on to explain basic concepts that can be easily understood.

Broadly speaking, the term Industry 4.0 means automation in data exchange across all manufacturing technologies, including Internet of Things (IoT), Big Data and analytics, cyber-physical systems, additive manufacturing, simulation and augmented reality (AR) for horizontal and vertical integration into machines, cloud computing and autonomous robots.

Industry 4.0 plays a role in helping to integrate and combine intelligent machines, human actors (like you and me), physical objects, manufacturing lines, and organizational stage processes to build new kinds of technical data, systematic and highly agile value chains.

 

The term 4.0 

 

The name i4.0 is attributed to the chronological order of the previous industrial revolutions (Fig. 1), each of which brought about major changes in the field of manufacturing technologies. The first was the shift from hydropower and steam power to mechanical power, the second was to mass production, and the third was to automation through the use of information in automated systems.

The first stage, Industry 1.0, started at the end of the 18th century using mechanical devices to transform water and steam energy into mechanical energy, mainly used in the agricultural sector. Later, Industry 2.0 began and was related to mass production, as the standardized form of production in general. It was not until the 20th century that Industry 3.0 came into action, along with advances in computer technologies, these advances were easy to use and were implemented in various stages of production, connecting many professions in a new language: programming. It was not until Industry 4.0 that all professions started to use computer programming systems to adapt to their local activities, but they are not required to know coding languages, but rather to learn and use software that connects user-computer-machine in their working life (Gorecky et al. 2014).

 

Industrial evolution diagram towards Industry 4.0

Fig. 1. Diagram of industrial evolution

 

Intelligent Factories for Industry 4.0

 

The future of global manufacturing is based on smart factories, which consist of the widespread use of automation in digitalized factories and products, i.e., the four stages of the industrial revolution. However, to date there is no single definition that describes all aspects of Industry 4.0 in basic terms, making it difficult to distinguish all its components. The term and definition with most approaches distinguishes a minimum of 9 essential characteristics that make up Industry 4.0. As shown in Figure 2, these components are essential, but this does not mean that they are the only ones, each of these is explained below.

 

Industry 4.0 Technologies

Fig. 2: Industry 4.0 Technologies

 

Cyber-Physical System (CPS), Big Data, Internet of Things (IoT) and Internet of Services (IoS)

 

CPS consists in the fact that each production station has sensors that communicate in real time all the physical situations represented in virtual models.

Due to the large volume of information, the CPS is the foundation of the Internet of Things (IoT) combined with the Internet of Services (IoS). With both digital systems working in sync, it will be easier to connect and control the entire production chain, from production to machinery and even the warehouse (He 2016).

The huge amount of data is processed in a big data analytics concept and consists of assessing all the information and is used to predict and manage all the information to evaluate and make complex decisions. Big data can manage four main dimensions: volume, variety, velocity and value (Witkowski 2017).

 

Autonomous Robots

 

Currently, robots used in factories only execute programmed instructions under certain conditions, but in Industry 4.0, robots will have the ability to interact with other robots, will be more compact, affordable and sophisticated than today's robots, resulting in robots with greater functionality and some degree of autonomy for manufacturing.

 

Augmented Reality (AR)

 

AR, is one of the most promising benefits of Industry 4.0, it can predict with high accuracy the frequency of total productive maintenance (TPM) of machines and enable a lower frequency of corrective maintenance, which means that components that need frequent replacement or maintenance should be replaced by other materials that guarantee a longer service life than the current ones and that can be scheduled in predictive maintenance. This represents a cost reduction compared to the continuous TPM currently performed (Masoni et al. 2017).

 

Additive Manufacturing (3D Printing)

 

The production of rapid and inexpensive prototypes using a 3D printer, allows rapid testing, decreasing project time and last minute changes in conjunction with the available processed data. This is one of the main advantages and one of the most relevant tools for Industry 4.0 adoption.

 

Cloud Computing 

 

It consists of entering and maintaining all the information of each station in a shared storage. As the available information is so extensive, it can be stored in a machine or service stations that are connected to the network (or to the cloud), and with this the functionality of each equipment and the data necessary for it, will be available in the system in the cloud, which allows managing large amounts of data without the need for local storage (large and expensive) and can be processed individually.

 

Simulation

 

Simulation means moving to advanced training. Simulations are performed in real time using multiple data in a virtual mode as close as possible to the real world, allowing to know or simulate the output of a system. This simulation includes the participation of people, robots, process stations and even warehouses. It is intended for operators who will optimize parameter settings in a virtual model before optimizing them in real activities. It is a high-level training with no waste of material. 

 

Simulation means moving to advanced training. Simulations are performed in real time using multiple data in a virtual mode as close as possible to the real world, allowing to know or simulate the output of a system. This simulation includes the participation of people, robots, process stations and even warehouses. It is intended for operators who will optimize parameter settings in a virtual model before optimizing them in real activities. It is a high-level training with no waste of material.

 

Importance of a TPM system in Industry 4.0

 

Let's start by defining what TPM is. Total Productive Maintenance or TPM is a management practice that takes into account all aspects of equipment maintenance, the behavior of people and the production process to achieve and maintain maximum efficiency of equipment and operations, in other words, it is the execution of preventive maintenance on all machines to prevent them from stopping due to a failure or malfunction that may cause them to show erratic behavior and have an impact on the quality of the final product.

One of the key aspects to implement the principles of Industry 4.0, is the correct functioning of all equipment, from the simplest to the most complex parts, taking into account that due to natural causes, the equipment and its components tend to wear out and must be replaced.

We can distinguish eight steps to create a solid TPM for Industry 4.0, which covers different aspects, from defining the objectives to obtaining the appropriate technology and being able to measure the KPI's (Key Performance Indicator) that indicates the success of its implementation (figure 3), at first glance it looks very similar to the real TPM, but Predictive Maintenance 4.0 (PM) will be a key factor to ensure the continuity of the process without erratic data readings or downtime in the production line.

 

 Passos-chave para adaptar o TPM para a Indústria 4.0

Fig. 3. 8 Key steps to adapt TPM for Industry 4.0

 

For TPM 4.0, it will be necessary to use reliable and long-lasting parts that show the least wear and tear in normal operation, paying special attention to the internal components of the equipment, which due to their location and function may result in machine stoppages that must be scheduled at increasingly longer intervals from each other.

The spare parts list should contemplate from the very beginning, the installation of parts that guarantee the greatest durability and that due to their working conditions wear out more commonly, such as filters, belts and seals, understanding that even the smallest parts are relevant in the process. An unscheduled machine stop due to a small part can cause the same or a greater inconvenience than a large part.

 

 

Creating a culture of reliability with small components in i4.0 processes

FFKM O-Ring Seals

 

Os O-rings are present in almost all stages of manufacturing, these products are widely used in mechanical systems and in some electromechanical systems to seal different types of fluids, whether liquid or gaseous. Their operation is simple: they are mounted in the grooves or cavities of the system, where they deform slightly until they adopt the shape of the place where they are installed, thus preventing fluid leakage. (See figure 4)

 

O-Rings mode of operation

Fig. 4: O-Rings mode of action

 

O-rings are distinguished by the following features

  • Cross section diameter (profile)
  • Inside diameter
  • Material composition
  • Material Hardness

O-rings are designed for a wide variety of applications in the industry, various temperature ranges, pressure, fluids and gases. Several elastomers can be used in the manufacture of O-rings, each with different purposes.

In the manufacture of O-rings, different elastomers are used for specific applications, which means that there are different types of elastomers for each application and for each function in order to complete the task at hand (Table 1). The most commonly used elastomers are Buna (high elasticity) and Nitrile (high resistance to various chemicals).

Another widely used elastomer is neoprene, as it offers good stability and is used in refrigeration, petroleum and automotive applications. Silicone is also used for applications that use large amounts of compressed air.

Various types of elastomers are used for specific application requirements, such as in aerospace and semiconductor industries that utilize Fluoroelastomer (FKM) and Fluorosilicone.

It is well known that the performance of an O-ring depends on the material it is made of, so choosing by price or availability at the time will drastically reduce the life of the equipment, putting production, machine and people at risk, forcing unscheduled shutdowns that slow down production and cause costly breakdowns.

 

Table 1. O-Ring seals material properties

Material properties for O-Ring seals

 

Perfluoroelastomer O-ring (FFKM)

 

This type of elastomer is recommended for its superior strength and versatility in a wide variety of applications, including highly aggressive environments (chemically and thermally), offering significantly longer service life than other more commercially available materials. O-rings made of FFKM can meet the most challenging demands for durability and reliability, which translates into increased safety in industrial operations and savings in long-term maintenance processes. 

We at Serall® offer O-ring made from FFKM that meet the highest requirements for durability and service time, which will provide peace of mind and ensure reliable, long-term use of the equipment as required by Industry 4.0.

As you can see, there are various materials for different applications using O-ring, where the choice is usually based on the minimum requirements, which means a lower price, however, these considerations must be seen from another perspective in Industry 4.0, where all systems need to function flawlessly, and the implications of a failure or downtime of equipment for a part as small as an O-ring must be reassessed. 

In Industry 4.0, the use of materials that ensure higher durability is of critical importance, investment in high quality rubber seals must be considered, ensuring performance and cost savings while taking into account the continuity of the entire process, avoiding unscheduled machine downtime and room for human error.

Do you remember the proverb "For want of a nail a kingdom was lost", where a knight with an important message to win a battle, by not replacing a nail in his horse's shoe, ended up sacrificing the animal, therefore failing to deliver the message and his kingdom losing the battle. This proverb means that if a situation has a smaller problem that is not solved, the smaller problem will grow and create a bigger problem of its own. thus exemplifying the chaos theory based on what any action or omission, however minimal, insignificant and strange it may seem, can change the consequences in the short, medium or long term.

Well, the O-ring is the "nail" and the machinery the "kingdom" here, meaning that you can lose all control over your process just because of a part that is not well chosen, low quality materials (of course, with a low price), could result in higher costs for a company working under the precepts of Industry 4.0.

 

Perfluoroelastomer (FFKM) rubber O-Ring seals

Fig. 5: Perfluoroelastomer (FFKM) rubber O-Ring seals

 

Global overview of Industry 4.0 

 

Industry 4.0 can be understood as a conjunction of advanced technologies that use the Internet to transport, store and support certain activities. This creates a new reality with a combination of human actors, intelligent machines, physical and digital objects, and processing lines and their stages, building new types of available data, automated systems as well as high agility and flexibility for the value chain (Schumacher et al. 2016).

 

Iniciativas governamentais

 

Vários países incorporaram o conceito da Indústria 4.0 como parte de suas políticas públicas, contemplando que ela será uma nova realidade, o investimento no desenvolvimento desta abordagem de fabricação fará a diferença entre ser um líder mundial ou ter uma indústria atrasado obsoleta em seu país.

As diferentes iniciativas mundiais sobre a política da Indústria 4.0 são

  • Em 2011 a Alemanha lançou a iniciativa sob sua Estratégia de High-Tech 2020, distinguindo-se assim como os iniciadores da Indústria 4.0;
  • Em 2011, o presidente americano Barack Obama iniciou uma série de ações, discussões e recomendações em nível nacional, intitulada “Advanced Manufacturing Partnership” (AMP);
  • Em 2012, o governo alemão aprovou um plano de ação conhecido como ” High-Tech Strategy 2020″;
  • Em 2013, o governo francês lançou o conceito “La Nouvelle France Industrielle”;
  • Em 2013, foi implementado no Reino Unido um plano de ação de longo prazo para a indústria manufatureira chamado “The Future of Manufacturing” (O Futuro da Indústria);
  • Em 2014, a Comissão Europeia emitiu o relatório ” Factories of the Future (FoF)”, onde fala sobre uma nova parceria público-privada (PPP) contratual;
  • A Manufacturing Innovation 3.0 é um plano lançado pelos sul-coreanos em 2014, como resultado, a Hyundai desenvolveu um novo carro autônomo, o Hyundai Genesis sedan;
  • A China, em 2015, lançou duas políticas ao mesmo tempo: as estratégias “Internet Plus” e “Made in China 2025”;
  • Em 2016, o governo de Cingapura lançou seu Plano RIE 2020 (Research, Innovation, and Enterprise) com um orçamento de 19 bilhões de dólares;
  • Em 2016, o governo mexicano lançou um plano para a Indústria 4.0, com uma data posterior para 2016-2030, onde promove a ligação de centros de inovação em diferentes partes do país para colaboração com indústrias médias e pequenas;
  • Em 2017, a Malásia adotou uma política energética para ajudar suas diversas indústrias a entrar na Indústria 4.0, através da automação e fabricação inteligente;
  • Em 2019, no Brazil, o Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovação e Comunicações (MCTIC), lançou a Câmara Brasileira da Indústria 4.0 para aumentar a competitividade e a produtividade das empresas brasileiras.

Em resumo, as iniciativas governamentais mencionadas anteriormente mostram como diferentes países ao redor do mundo estão significativamente preocupados com o avanço das tecnologias como a Indústria 4.0 pode trazer muitos impactos positivos para o desenvolvimento de uma nação. Em breve, o mundo físico, biológico e digital convergirão, permitindo aos cidadãos interagir com diferentes governos, empresas e agências, abrindo as portas para novas possibilidades. 

 

Informações-chave do mercado 

 

Com o surgimento da quarta revolução industrial (i4.0), as empresas estão mostrando melhorias de eficiência, maiores lucros a custos menores, aumento da produção, ofertas personalizadas e novos rendimentos e modelos de negócios.

De acordo com uma análise da “Fortune Business Insights”, o mercado global apresentou um crescimento significativo de 14,5% em 2020 em comparação com o crescimento anual durante 2017-2019. O mercado deverá crescer de USD 116,14 bilhões em 2021 para USD 337,10 bilhões em 2028 a uma CAGR de 16,4% durante 2021-2028.

 

Impacto da pandemia da COVID-19

 

A pandemia da COVID-19 sinalizou um momento importante para o mercado global e sua relação com a Indústria 4.0. Agora, com muitas pessoas fazendo Home Office, há uma nova oportunidade para programadores e líderes digitais desenvolverem soluções criativas para acelerar a transformação digital com o mínimo de intervenção gerencial em todos os níveis da empresa.

Algumas empresas de manufatura pararam completamente a produção, outras experimentaram uma diminuição significativa na demanda, finalmente, há um terceiro grupo que tem presenciado um aumento significativo. Muitos fabricantes que não estão fazendo ajustes para a transição para a era da Indústria 4.0, podem ter dificuldade em se conectar com outras empresas já dentro da Indústria 4.0, o que significa perda de oportunidades de negócios. Neste cenário, a flexibilidade para analisar e ajustar os requisitos de estoque, otimizar as cadeias de abastecimento e aumentar a capacidade de fabricação com tecnologias avançadas será crucial para fabricantes e empresas em todo o mundo. Além disso, espera-se que as iniciativas governamentais sejam benéficas para ajudar as empresas a se sustentarem durante a pandemia.

 

 Indústria 4.0 Global, tamanho de mercado 2017-2028

Fig. 6. Indústria 4.0 Global, tamanho de mercado 2017-2028 (adaptado de Transparency Market Research)

 

Segmentação 

Por análise de aplicação

 

O mercado pode ser classificado em fábricas inteligentes, automação industrial, e IoT industrial com base na aplicação.

A IoT para o setor industrial ou Internet Industrial das Coisas (IIoT) é a conjunção de duas revoluções para a Indústria, oferecendo benefícios atrativos em sua implementação em equipamentos industriais: conectividade total através de conectividade wireless e sensores, os fabricantes podem conhecer o status das máquinas em tempo real aumentando seu desempenho e identificando possíveis falhas ao planejar programas de manutenção.

O segmento industrial IoT (IIoT) ganhará impulso durante o período previsto em todos os níveis.

 

Segmentação da indústria 4.0 por aplicação

Fig. 7. Segmentação da Indústria 4.0 por aplicação (adaptado de Fortune Business Insights)

 

América do Norte e LATAM na Indústria 4.0

 

As empresas norte-americanas estão se adaptando rapidamente ao conceito de fabricação inteligente, para a qual se espera que esta região domine a indústria global 4.0 nos próximos anos. Hoje, a maioria das fábricas na América do Norte já estão equipadas ou adquirindo novas máquinas e tecnologia de fábricação inteligente e simultaneamente, e o recrutamento de desenvolvedores de software está aumentando significativamente, permitindo que outras empresas façam a transição da fabricação convencional para a fabricação inteligente. Hoje você pode ver grandes personalidades no mercado juntamente com iniciativas governamentais, desenvolvendo e estimulando o financiamento em atividades de P&D, todos estes são fatores extremamente importantes que fazem da América do Norte uma região dinâmica para impulsionar o crescimento do mercado.

Na LATAM, no Oriente Médio e na África, a iniciativa Indústria 4.0 é um impulso principalmente das iniciativas governamentais que estimulam a adoção de tecnologias digitais em seu plano anual de desenvolvimento. A estratégia se baseia no fortalecimento de sua posição como um núcleo global para a Indústria 4.0 e no aumento do número de fábricas inteligentes para apoiar a economia nacional. 

Para o México, que se destacou como o principal parceiro comercial dos EUA, existem muitas grandes empresas transnacionais, onde a adoção de tecnologias para Indústria 4.0 está diretamente relacionada à implementação dessas tecnologias em suas “empresas-mãe” nos EUA, representando aproximadamente 50% da indústria atual, ao mesmo tempo, o restante corresponde a médias e pequenas empresas, que estão relutantes a estas mudanças devido ao investimento e à falta de conhecimento. A proposta do México havia sido apresentada com o apoio do “Centro de Investigación e Innovación”.

No Brasil, as principais iniciativas vêm de associações de empresas para estimular a implementação de ativos digitais a fim de acelerar a adoção de tecnologias avançadas. A maioria da indústria nesta região está consciente da necessidade de adotar a nova tecnologia i4.0, no entanto, o progresso neste sentido é lento, sem investimentos consideráveis no momento. Além disso, há o medo de trabalhadores sindicalizados que expressaram o medo de ficarem sem emprego.

 

 

Escopo e segmentação para a Indústria 4.0

 

Há segmentação por aplicação, por vertical e por região para a adoção da Indústria 4.0, com tamanho de mercado de US$ 101.6 bilhões e previsão de US$ 337.10 bilhões até 2028, a uma taxa de crescimento anual composta (CAGR). Detalhes sobre a distribuição por região e segmentação são mostrados na tabela 2.

 

Tabela 2. Detalhes por tempo, segmentação e região sobre o futuro da Indústria 4.0 (adaptado de Fortune Business Insights)

 Detalhes por tempo, segmentação e região sobre o futuro da Indústria 4.0

 

Conclusões

 

A Indústria 4.0 é como um resort cinco estrelas em uma bela ilha. Todos querem ir, mas chegar lá leva muito tempo, dinheiro e esforço.

A Indústria 4.0 passou de uma iniciativa governamental para uma realidade crescente na indústria manufatureira, aproveitando outros desenvolvimentos tecnológicos de ponta como a Internet das Coisas (IoT), para a conectividade do próprio maquinário, originando o conceito de Internet Industrial das Coisas (IIoT).

Devido à COVID-19, notou-se um aumento na demanda em setores industriais chaves, apoiado pela integração digital de soluções avançadas em operações comerciais.

Estima-se que os Estados Unidos serão o maior expoente da Indústria 4.0 até 2030, juntamente com a China, que fabricará todos os componentes que funcionarão como interface entre as máquinas e sua conectividade com a Internet.

O IIoT abrange aplicações industriais, incluindo robótica, dispositivos médicos e processos de produção definidos por software para segmentos como fabricação, energia e serviços públicos, automotivo, petróleo e gás, eletrônica aeroespacial e de defesa e outros bens de consumo.

Os esforços incluirão conectividade e componentes de maior durabilidade para manter um estado de trabalho contínuo por mais tempo e reduzir as paradas de linha na indústria.

Um material de alto desempenho como o FFKM, produzido pela Serall, é apenas um dos muitos materiais e componentes que atendem às exigências de uma Indústria 4.0. Seu uso é tão potente que sua instalação nas fábricas de hoje oferece resultados superiores. Lembre-se do provérbio “Por falta de um prego”.

Na Serall, contemplamos a iminente integração de diferentes indústrias à Indústria 4.0, razão pela qual nos concentramos em trazer ao mercado, O-ring feitos em Perfluoroelastómero (FFKM), para suportar os requisitos industriais mais exigentes, antecipando as exigências das equipamento e suas aplicações na Indústria 4.0. Caso você queira saber mais sobre a implementação de vedações de perfluoroelastômero (FFKM) em sua empresa, entre em contato com um especialista Serall fazendo clique aqui e descubra como nossas soluções podem ajudá-lo a enfrentar os novos desafios da Indústria 4.0 aumentando sua produtividade e diminuindo seus custos operacionais.

 

 

 

Fontes:

 

Fortune Business Insights. 2021. Industry 4.0 Market Size, Share & COVID-19 Impact Analysis, By Application, By Vertical and Regional Forecast 2021-2028. URL: https://www.fortunebusinessinsights.com/industry-4-0-market-102375

Gorecky, D., Weyer, S., Schmitt, M. & Ohmer, M. 2015.Towards Industry 4.0 – Standardization as the crucial challenge for highly modular, multi-vendor production systems. IFAC-PapersOnLine. URL: https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2015.06.143

He, K. & Jin, M. 2016.CyberPhysical SYSTEM for Maintenance in INDUSTRY 4.0.  

Masoni, R.,  Ferriseb, F., Bordegonib, M.,  Antonio, E. U., Fiorentinoc, M., Carrabbad, E. & Di Donatoe, M. 2017. Supporting remote maintenance in Industry 4.0 through augmented reality. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2351978917304651

Schumacher, A., Erol, S. & Sihn, W. 2016. A Maturity Model for Assessing Industry 4.0 Readiness and Maturity of Manufacturing Enterprises. Procedia CIRP. URL: https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.07.040.

Transparency Market Research. 2021. Industry 4.0 Market Global Industry Analysis, Size, Share, Growth, Trends, and Forecast, 2021-2031. 

Witkowski, K. 2017. Internet of Things, Big Data, Industry 4.0 – Innovative Solutions in Logistics and Supply Chains Management. Procedia Engineering.  

 

Em memória de Sergio Castañeda †.

About the author

Sergio Castañeda
Sergio é um especialista em vedações de borracha com 16 anos de experiência no mercado. Ele é Engenheiro Químico com Mestrado em Polímeros, baseado na cidade de Querétaro, México. Ele se considera um amante do cinema e dos documentários, entusiasta da tecnologia e fã de comédias leves. Sergio também é pai de família, tem 16 anos de casamento e dois filhos adolescentes.
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