El futuro de la fabricación es inteligente y digital
- La Industria 4.0 abre camino a la fabricación inteligente
- Qué es la fabricación inteligente
- Beneficios de la fabricación inteligente para las empresas
- Cómo iniciar el trayecto hacia la fabricación inteligente: creación de una red troncal digital
- Diez tecnologías de fabricación inteligente
- El impacto de la fabricación inteligente
- La transición a la fabricación inteligente
La Industria 4.0 abre camino a la fabricación inteligente
Las tecnologías de la cuarta revolución industrial (Industria 4.0)—robótica conectada, impresión 3D, informática en la nube, inteligencia artificial (IA) e Internet de las cosas (IoT)— hicieron posible la fabricación inteligente y aceleraron las innovaciones a una velocidad vertiginosa.
La fabricación mecánica nació durante la primera revolución industrial hacia finales del siglo XVIII, impulsada por el agua y el vapor. Dos siglos después, la electricidad posibilitó las líneas de producción en masa y la división de las tareas de la segunda revolución industrial. Alrededor de 1970, los rápidos avances dieron lugar a la tercera revolución industrial, cuando las computadoras y la informática automatizaron ciertos procesos industriales y permitieron una comunicación más sofisticada.
Desde que se acuñó el término Industria 4.0 en 2011, el avance de sus tecnologías asociadas ha promovido una forma de fabricación interconectada, rica en datos y muy automatizada que hoy conocemos como fabricación inteligente.
Qué es la fabricación inteligente
Según Paul Wellener, vicepresidente y director de la división estadounidense Productos Industriales y Construcción de Deloitte LLP, la fabricación inteligente implica la digitalización global de todas las prácticas de fabricación y abarca tanto la planta de producción como todos los demás aspectos de la empresa, incluidos el diseño de producto, la cadena logística, la producción, la distribución y las ventas.
La fabricación inteligente aplica los conceptos de la Industria 4.0, que está caracterizada por sistemas ciberfísicos interconectados tales como robots y máquinas inteligentes que pueden autodiagnosticarse y advertir problemas potenciales. La proliferación de IoT ha generado dispositivos y máquinas con sensores inteligentes que cargan a la nube secuencias continuas de datos de uso para su análisis.
Estos conjuntos de “megadatos” se procesan mediante IA y el aprendizaje automático consiguiente gana precisión y predictibilidad a medida que se absorben más datos. La automatización y la conectividad de los datos crean cadenas logísticas más ágiles, en las que los buques y los camiones “hablan” con depósitos de almacenaje, vehículos autónomos o semiautónomos y drones. Los robots móviles y los cobots (robots colaborativos) también se suman a este proceso y automatizan aún más los envíos y la logística.
La fabricación inteligente ayuda a los fabricantes a ser más eficientes, a mantener una ventaja competitiva y a investigar nuevos modelos y prácticas comerciales.
Beneficios de la fabricación inteligente para las empresas
Las empresas deben adoptar la fabricación inteligente porque contribuye a agilizar los procesos, aumentar la productividad, mantener una posición competitiva y estar preparado para el futuro, lo que incluye imprevistos tales como una pandemia.
Una encuesta en desarrollo de la organización sin fines de lucro Manufacturing Enterprise Solutions Association (MESA) preguntó a las empresas cuál es el desafío principal que está retrasando su avance hacia la fabricación inteligente. Alrededor del 58 % citó problemas financieros o falta de conocimiento de las tecnologías relacionadas. Es obvio que adoptar la fabricación inteligente requiere una inversión considerable de recursos financieros y humanos e implica cierto riesgo.
Sin embargo, el estudio Smart Factory elaborado en 2019 por Deloitte y la Manufacturers Alliance for Productivity and Innovation (MAPI) concluye que todo fabricante, haya comenzado ya a implementar iniciativas de fabricación inteligente o no, puede sumar valor a su empresa al hacerlo, y que el valor de dichas iniciativas supera, por lo general, los riesgos financieros y operativos.
El estudio clasificó a los entrevistados en dos grupos: el Grupo A (49 % de las empresas) no tenía en desarrollo ninguna iniciativa para la fabricación inteligente; el Grupo B (51 %) ya contaba con iniciativas de fabricación inteligente en cierto grado. El estudio determinó que el índice de productividad del Grupo A para el período de 2015 a 2018 probablemente disminuyó en un 2,3 % anual, mientras que el Grupo B observó un aumento promedio del 3,3 % en la productividad anual durante el mismo plazo. Asimismo, las empresas del Grupo B mostraron un aumento promedio del 10 % en su producción y un aumento promedio del 11 % en el aprovechamiento de la capacidad de producción de sus fábricas.
La mayoría de las empresas que aún no habían implementado iniciativas de fabricación inteligente reconocían, de todos modos, su importancia. Wellener explica: “En el estudio, el 86 % de los fabricantes encuestados creen que dentro de los próximos cinco años las soluciones de fabricación inteligente serán el factor principal que fomentará la competencia. Esto destaca la importancia que tendrán las plantas de fabricación inteligente para la posición competitiva de los fabricantes en los años venideros”.
Independientemente de la desaceleración económica de 2020 y las interrupciones en la cadena logística a causa de la pandemia del COVID-19, este es el momento ideal para considerar la introducción de iniciativas de fabricación inteligente para poder competir. En efecto, un nuevo estudio de Deloitte y MAPI publicado en octubre de 2020, Accelerating Smart Manufacturing, revela que muchos fabricantes están expandiendo sus tecnologías de fabricación inteligente en 2020, y que esta tendencia muy probablemente continuará en 2021.
“Ejemplos provistos por los ejecutivos de estas empresas incluyen la instalación de sistemas de visión artificial para permitir recorridos virtuales de las plantas, el suministro de dispositivos de tecnología vestible para que los operarios de la línea de producción sepan si están a menos de 1,50 m de un compañero de trabajo, e incluso la rápida incorporación de cobots para complementar el plantel de operarios, dado que ya no pueden estar uno al lado del otro en la línea de producción” continúa Wellener.
Srinath Jonnalagadda, vicepresidente de estrategia de salida al mercado y comercialización del departamento de Diseño y Fabricación de Autodesk, sostiene que la adopción de tecnologías de fabricación inteligente por parte de todos los fabricantes es solo una cuestión de tiempo. “En realidad, se trata de un problema existencial” afirma Jonnalagadda. “Opino que la única vía es la convergencia del mundo físico y el digital”.
Cómo iniciar el trayecto hacia la fabricación inteligente: creación de una red troncal digital
La buena noticia para las empresas interesadas en la fabricación inteligente pero que se sientan intimidadas por las barreras financieras o técnicas es que no es necesaria la transición de toda una fábrica de una sola vez. De hecho, el estudio Smart Factory indica que los avances pequeños a menudo generan grandes beneficios. Las empresas que lo lograron, por lo general comenzaron por asegurar el apoyo de sus directores, en especial, del director de tecnología, y emprendieron varios proyectos de poca envergadura con baja inversión inicial. Esos proyectos se midieron conforme a métricas comerciales que favorecieron el uso de estos éxitos iniciales como incentivo para buscar inversiones cada vez mayores.
Jonnalagadda recomienda comenzar el trayecto hacia la fabricación inteligente mediante la conversión de los datos analógicos en datos digitales: eliminar los procesos analógicos e implementar un sistema que capte todo en una única base de datos digital. Esos son los datos fundamentales que se usarán para crear ciclos de retroalimentación al introducir información adicional generada por los procesos de la planta. Esta información adicional puede provenir de datos de sensores, pero también puede derivar de los datos que los operarios introduzcan en distintos puntos del proceso.
Según acota Jonnalagadda: “Cuantos más datos se reúnan y más puntos de introducción de datos haya, mayor será el conocimiento de la situación, y mayor será la probabilidad de comprender lo que realmente está sucediendo. Así se alcanza una claridad total, por así decirlo. Una vez que se sabe lo que pasa en la planta de fabricación, puede descubrirse dónde podrían surgir problemas.”
Una vez que los datos revelan los problemas, los fabricantes pueden empezar a pensar en cambios en varias dimensiones, y es aquí donde puede ser útil la introducción de más cómputos y algoritmos. “Los algoritmos aportan distintas posibilidades que explorar, para que los fabricantes puedan dilucidar el mejor camino hacia adelante, que es como el Santo Grial” continúa Jonnalagadda. “Así se consigue una Red troncal digital, con ciclos de introducción de datos y de retroalimentación que aportan a los fabricantes conocimientos detallados, además de la ayuda de algoritmos que ofrecen opciones para seguir agilizando y optimizando las operaciones de la planta de fabricación”.
Diez tecnologías de fabricación inteligente
Las tecnologías inteligentes están en constante desarrollo. Por ejemplo, para la fabricación inteligente no es indispensable la nueva red de telefonía celular 5G, pero la conectividad 5G reduce la dependencia del hardware y de la red de wifi y puede simplificar las configuraciones y ofrecer mayor amplitud de banda que la red 4G.
Las tecnologías enumeradas a continuación constituyen los principios fundamentales de la fabricación inteligente más puntera, pero muchas no son específicas, y frecuentemente, un dispositivo, una máquina o un sistema incorporan varias a la vez. Por ejemplo, un dispositivo IoT puede incorporar sensores con conexión inalámbrica a la nube, pero también incluye procesadores integrados con IA que envían alertas o toman decisiones independientes relativas a los procesos.
1. IA/Aprendizaje automático
La IA y el aprendizaje automático van de la mano con el análisis de los datos de la fabricación inteligente, dada su capacidad de procesarlos y reconocer patrones en ellos con mucha mayor velocidad que los seres humanos. Los cobots y demás sistemas robóticos presentes en las fábricas inteligentes a menudo incorporan cierto grado de IA. Con la caída en el precio de esta tecnología, también se está empezando a utilizar en los microprocesadores de los dispositivos IoT de la computación de borde y en las máquinas de las fábricas inteligentes. La visión artificial basada en IA también puede ayudar a adquirir información detallada a partir de un vídeo de la planta de producción. Por ejemplo, el análisis de las líneas de producción manuales a través de IA de Drishti puede usarse para capacitar al personal, reducir desperfectos en los productos, optimizar los procesos y muchas cosas más.
2. Realidad aumentada/Realidad virtual
La realidad aumentada (RA) y la realidad virtual (RV) tienen diversas aplicaciones en la fabricación inteligente. En la actualidad, son especialmente importantes para la capacitación práctica de los operarios con el fin de salvar el creciente déficit en su formación. Desde que se inició la pandemia, el sector de la fabricación inteligente ha redoblado su uso de RA/RV tanto para la capacitación como para posibilitar reparaciones u otro tipo de asesoramiento especializado a distancia. Con las gafas de realidad mixta HoloLens 2 de Microsoft, por ejemplo, un operario de fábrica puede recibir instrucciones de un experto remoto, que básicamente puede ver a través de los ojos del empleado.
3. Automatización/Robótica
El uso de robótica en la fabricación inteligente está empezando a ser más diverso y colaborativo, a medida que los cobots ganan popularidad a raíz de las medidas obligatorias de distanciamiento físico. Los robots y las máquinas automatizadas incorporan diversos grados de IA, toma autónoma de decisiones, capacidad sensorial y de comunicación, y movilidad. Pero en general, la robótica de la fabricación inteligente recopila gran cantidad de datos y está bien conectada a la nube y a la fábrica inteligente en su totalidad.
4. Fabricación aditiva/Fabricación híbrida
La fabricación aditiva, también conocida como impresión 3D, ha revolucionado la producción rápida de prototipos y ahora, como complemento de la fabricación tradicional, ofrece productos terminados e incluso infraestructura tal como puentes y edificios de bajas dimensiones. La expectativa es que con el tiempo llegará a utilizarse también para la producción en masa. Mientras tanto, la fabricación híbrida combina la fabricación aditiva en metal con la fabricación sustractiva en una misma máquina, con el fin de producir piezas con mayor rapidez, a la vez de reducir el desperdicio de materiales.
5. Análisis de megadatos
Los megadatos afectan a casi todas las facetas de la fabricación inteligente, y en algunos casos, definen el aspecto “inteligente” de una tecnología. La fabricación inteligente fundada en datos es la base del aprendizaje automático y se apoya en la nube para almacenar y procesar dichos datos. Pero los megadatos también son un elemento clave de procesos ajenos a la planta de producción: informan la toma de decisiones de logística, la evaluación de riesgos, la estructura de costos, las estrategias de desarrollo, el control y la mejora de la calidad, la fabricación personalizada y otros patrones de venta, e incluso el servicio de posventa.
6. Informática en la nube
Con la informática en la nube, los datos de un sensor IoT se almacenan y analizan utilizando algoritmos de IA/aprendizaje automático en servidores externos. Un ejemplo de lo que puede lograrse con el uso de la nube para la fabricación inteligente es la Nube Industrial de Volkswagen, que combina todos los datos de las 122 plantas del Grupo Volkswagen y los procesa en tiempo real para optimizar sus operaciones. El objetivo a largo plazo de esta empresa es conectar a su nube industrial más de 30 000 plantas de 1500 proveedores de todo el mundo y, posiblemente, crear un mercado para el software de fabricación inteligente.
7. Mecanizado CNC
Las máquinas con control numérico por computadora (CNC) de avanzada permiten operaciones multieje de fresado, torneado, corte y perforación, entre otras, a partir de diseños y modelos generados por software de fabricación asistida por computadora (CAM). A menudo, las máquinas CNC de fabricación inteligente cuentan con sensores inalámbricos como parte de su IoT.
8. Diseño para la fabricación
El diseño para la fabricación (DFM), o diseño para la fabricación y el ensamblaje (DfMA), es una metodología de diseño que posibilita y optimiza la prefabricación a través de una serie de opciones y principios de diseño. Los productos y los componentes se diseñan específicamente para su fabricación y para facilitar los procesos de fabricación y hacerlos más rentables. Esto implica el uso de software de CAD (diseño asistido por computadora) y CAM para el diseño y la producción.
9. IoT/Informática de borde
Los dispositivos, máquinas, robots y demás elementos de la fabricación inteligente son parte habitual del sistema IoT, lo que significa que incorporan sensores inalámbricos conectados a la red que cargan datos para su análisis. Con la caída estrepitosa del precio de los sensores, es creciente el uso de procesadores de bajo costo en los dispositivos IoT, que ahora pueden ejecutar tareas informáticas antes de su carga a la nube. Esto se conoce como computación de borde. El término IIoT (Internet industrial de las cosas) hace referencia a las máquinas IoT en una línea de producción, que por lo general pueden tomar decisiones predictivas basándose en datos cargados que llevan a la reducción de los costos y los residuos.
10. Simulación/Doble digital
La fabricación inteligente emplea software para la simulación de “dobles o gemelos digitales” de piezas y productos físicos, que pueden someterse a pruebas, validarse y optimizarse digitalmente antes de su fabricación. Cuanto más se acerque el doble digital a una representación física precisa, más valiosa será esta simulación.
El impacto de la fabricación inteligente
La fabricación inteligente puede ayudar a una empresa a utilizar sus recursos con mayor eficiencia, aumentar la seguridad de sus operarios y facilitar la capacitación del personal. En opinión del presidente del Comité Educativo de MESA, Khris Kammer, también puede aumentar la versatilidad de una empresa: “Basta con fijarse en la cantidad de empresas que durante la pandemia del COVID-19 pudieron empezar a fabricar otros productos, ya fuera EPP o dispositivos médicos relacionados. Solo pudieron lograrlo gracias a su flexibilidad para incorporar un producto nuevo a su línea de producción, restructurar la maquinaria, renovar la capacitación del personal y ejecutar todos estos cambios con muchísima rapidez”.
Kammer añade que las empresas que implementan fabricación inteligente pueden también tener flexibilidad con sus propios productos y aprovechar la tendencia a la “personalización masiva” que permite a los fabricantes entregar bajos volúmenes de productos muy variados. Esto puede llevar a modelos comerciales basados en suscripciones o productos de “tamaño de lote 1”. Y agrega: “Entonces, en lugar de atenerse a las limitaciones de la cadena logística, los fabricantes terminan fomentando algunas de las innovaciones en esta cadena, y eso es muy interesante”.
La fabricación inteligente tiene el potencial de mejorar los resultados comerciales de las empresas en sí y de la industria de la fabricación en general. Otro modelo comercial que la fabricación inteligente ha hecho posible, la fabricación como servicio (MaaS), podría aumentar la adaptabilidad de la cadena logística ante trastornos como los vividos en 2020. La MaaS, o según el especialista Xometry, la producción a pedido, es el enlace entre las necesidades de fabricación y los proveedores que tengan capacidad de producción disponible para satisfacerlas, en otras palabras es “el Uber de la fabricación” según explica Jonnalagadda. Del mismo modo que los servicios de transporte compartido se apoyan en aprendizaje automático para poner en contacto a los conductores con los pasajeros muy rápido, la MaaS necesita del aprendizaje automático para conectar con eficiencia a fabricantes y clientes.
El estudio Accelerating Smart Manufacturing se centra en otro avance con implicancias para todo el sector: los beneficios de “efecto de red” de los ecosistemas de la fabricación inteligente, o sea, cuando muchas empresas y entidades colaboran positivamente mediante tecnologías avanzadas e interconectadas en pro de objetivos comunes.
Entre los ejemplos están las iniciativas de fabricación en respuesta al COVID-19, como el esfuerzo de la comunidad de fabricación aditiva America Makes: un portal en línea de diseñadores, fabricantes y profesionales del sector sanitario que colaboraron para producir más de 280.000 unidades de EPP en dos meses.
Dado el acceso conjunto a conocimientos e innovación colectivos, los ecosistemas de la fabricación inteligente son ventajosos para todos bajo cualquier circunstancia. El estudio reveló que los fabricantes de la lista de Fortune 500 con más de 15 alianzas estratégicas duplicaron su crecimiento interanual en 2019, a diferencia de los que tenían menos alianzas. Las empresas con ecosistemas de fabricación inteligente también pudieron lanzar al mercado productos y servicios con mayor rapidez y expandir su capacidad de innovación, con una madurez más acelerada de su tecnología digital y reducciones en los costos operativos gracias a la mayor eficiencia de los procesos.
El impacto de la fabricación inteligente en el desarrollo sostenible
Una característica inherente a algunas tecnologías de fabricación inteligente es que promueven el uso eficiente de los recursos. El software de simulación, por ejemplo, puede llevar a una reducción drástica de los residuos que produce porque permite que muchas pruebas físicas (por ejemplo, las de impacto de vehículos) se realicen utilizando simulaciones digitales. Jonnalagadda sostiene que las simulaciones también pueden predecir la durabilidad y la vida útil de diversos materiales y poner a prueba materiales alternativos para los productos finales, que tengan el menor impacto ecológico global. La DFM también puede suponer ventajas de desarrollo sostenible para un producto. Por ejemplo, el software de diseño generativo hace uso de IA para generar una diversidad de opciones de diseño que pueden reducir el peso del producto y el material necesario a la vez de mantener su solidez y costo.
Con la orientación correcta, la fabricación inteligente puede prestar apoyo positivo a las metas de desarrollo sostenible. La Smart Factory @ Wichita, un esfuerzo conjunto de la Universidad Estatal de Wichita y Deloitte con lanzamiento en línea programado para 2021, incluirá una línea de producción a escala completa para demostrar cómo combinar maquinaria de fabricación ya existente con tecnologías de la fabricación inteligente como sistemas de robótica, impresión 3D, escaneo láser 3D, equipos de RA/RV, software de simulación y visualización, y mucho más. Este programa funciona desde un edificio inteligente totalmente nuevo, con cero carbono neto, conectado a una red inteligente, y está dirigido a demostrar cómo la tecnología avanzada de una fábrica inteligente puede favorecer el desarrollo sostenible mediante la optimización de las operaciones con vistas a reducir el impacto ambiental.
Algunos asesores sobre Industria 4.0, como el think tank de Bernard Marr & Co., son optimistas en cuanto al potencial de estas tecnologías. Estos expertos sostienen que, con el uso correcto, su gestión optimizada de los activos podría ayudar a regenerar el ecosistema a nivel mundial y revertir el daño ambiental de las revoluciones y prácticas industriales anteriores.
La transición a la fabricación inteligente
El libro blanco “Smart Manufacturing—The Landscape Explained” publicado por MESA en 2016 reclamó la estandarización industrial de los datos y las comunicaciones con el fin de promover la interoperabilidad entre las máquinas de la fabricación inteligente y el software. Muchos otros en la industria concuerdan que esto es esencial para una transición a la Industria 4.0 libre de complicaciones.
“Hay demasiadas normas y demasiadas empresas que insisten en sus distintos formatos patentados, y el software carece de la conectividad necesaria para funcionar con todas estas pautas diferentes” advierte Jonnalagadda. Sin ir más lejos, para las máquinas CNC, cada vendedor cuenta con su propio método para su gestión y conexión. Y continúa: “Esto tiene que cambiar. Hace falta un sistema que pueda conectarse a todo tipo de máquina”.
La ciberseguridad y la protección de datos también tienen máxima prioridad: el 58 % de los fabricantes incluidos en el estudio Accelerating Smart Manufacturing expresaron su inquietud en relación con el robo de datos y propiedad intelectual dentro de un ecosistema de fabricación inteligente.
A pesar de estas cuestiones —que según muchos encontrarán solución con el tiempo, cuando la fabricación inteligente alcance escala suficiente, incluso en épocas de incertidumbre económica— el 62 % de las empresas entrevistadas en el estudio Accelerating Smart Manufacturing están continuando o extendiendo sus iniciativas tecnológicas.
Para concluir, Kammer afirma: “La adversidad es, con frecuencia, la madre de la inventiva y el progreso. Hay muchos visionarios que están tratando de utilizar estas tecnologías para lograr lo que nunca antes había sido posible, como pasar de la idea original y el diseño de un producto a su concreción en tiempo récord. Pienso que la combinación de las nuevas tecnologías y la necesidad dará lugar a cosas verdaderamente maravillosas”.