Introducción a la fábrica del futuro (FF):
Por hacer un resumen rápido, los pilares de la fábrica del futuro se pueden agrupar en:
Por agilidad debe entenderse todo el conjunto de técnicas/ medios productivos/ métodos que permitan adaptarse rápidamente a los continuos cambios del mercado.
Estos cambios pueden ser de diferentes tipos:
- Desde cambios “sencillos de digerir” como son volumen de ventas, reducción de costes, …
- Pasando por otros más o menos alcanzables en las fábricas tradicionales como son mix de productos, personalización, plazos de entrega cortos, calidad total, …
- Hasta cambios más complejos como pueden ser los que afectan incluso al modelo de negocio: nuevos hábitos de consumo.
Cuando hablamos de inteligencia nos referimos a la gestión del tándem conocimiento/ personas que tan complejo de manejar resulta.
- Gestión del conocimiento en la empresa, en especial el técnico/ tecnológico
- Desarrollo de las personas para adquirir las capacidades necesarias en el nuevo paradigma de la FF
Las TI proactivas son todo el conjunto de herramientas (soft inteligente y hard) que nos ayudan en la toma ágil de decisiones
- Por medio de la monitorización, simulación y/o pronóstico de procesos.
- Mostrándonos los KPI`s necesarios para la gestión diaria
- Permitiéndonos adquirir y estructurar nuevos conocimientos
El entorno habitable se refiere no solo al que los trabajadores nos encontramos en nuestros puestos de trabajo, sino también a los aspectos ecológicos en los que el producto/ proceso puede contribuir a la sociedad a lo largo de su ciclo de vida (consumos, emisiones, reciclaje,…).
Introducción a la fabricación aditiva (FA):
Los avances en el ámbito digital (sistemas CAD en 3D) nos permiten hoy en día dibujar geometrías mucho más complejas que hace unos años, encontrándonos ahora con las limitaciones geométricas en el proceso de fabricación. Las tecnologías de fabricación aditiva en general superan esas antiguas limitaciones, pudiendo resumir con el lema “si puedes dibujarlo, puedes fabricarlo”.
Esto va a provocar un cambio de paradigma:
Actual: diseño condicionado por los medios de producción disponibles
Futuro con FA: ¡producción a partir del diseño libre!
Sin pretender explicar en qué consiste la fabricación aditiva, algunas de las principales ventajas de estas tecnologías se pueden resumir en:
- Libertad geométrica de formas casi total
- Aprovechamiento del material cercano al 100% (fabricación “near net shape”)
- No es necesario desarrollar utillajes
En cuanto a posibles campos de aplicación, algunos de ellos pueden ser:
- Series unitarias y producto personalizado: implantes personalizados, ortopedia estructuras porosas (osteointegración), material de competición, joyería, …
- Geometrías complejas: intercambiadores de calor…
- Características ocultas: piezas o estructuras con aligeramientos internos, insertos de molde con refrigeración optimizada…
- Materiales difíciles de trabajar o de alto coste: piezas de titanio (implantes dentales, piezas aero…)
Aplicación práctica de la fabricación aditiva (FA) a la fábrica del futuro (FF):
Una vez vistos el concepto de FF y las características de la FA revisamos a continuación cómo encajan en los pilares de la FF las características propias de las tecnologías de FA:
Agilidad:
La FA es especialmente ágil en muchos escenarios:
- En las aplicaciones de fabricación directa de la pieza, la agilidad que aporta la FA es extrema ya que sólo hay que dibujar la pieza en 3D y con un rápido procesado digital de slicing ya se está en condiciones de fabricarla, sin necesidad de construir utillajes.
- También en aplicaciones de MRO permite hacer reparaciones en piezas que reducen en gran medida el tiempo y plazo dedicado a las mismas.
- A día de hoy existe gran variedad de materiales utilizables por técnicas de FA, cada día el abanico es mayor, desde metálicos pasando por plásticos y resinas, cerámicos, fibras…
- El hecho de no precisar utillajes ni moldes para su fabricación confiere a estas tecnologías una agilidad sin comparación con las tecnologías tradicionales. El potencial que esta característica tiene es tremendo, no solo para mix de producción, sino personalizaciones de producto, evoluciones del diseño sin coste alguno (cuántas veces se conoce cómo mejorar un diseño pero no se lleva a cabo por estar lanzada la inversión en moldes o utillajes… y lo ágil que resulta con la FA simplemente modificar el 3D de la pieza).
- La libertad geométrica casi total es otra de las características que rompe paradigmas: ya no tenemos que diseñar la pieza “que puedo fabricar”, sino la que cumple su funcionalidad con el mínimo material posible, sin más restricciones.
- En cuanto a plazos de Time To Market, el ahorro es brutal: por un lado por no requerir utillajes (que siempre añade gran parte del plazo) y por otro porque la optimización del diseño (proceso iterativo) se agiliza también enormemente al poder disponer de prototipos físicos (a veces incluso funcionales) con mucha agilidad.
- La logística también se simplifica enormemente. Imaginemos el almacén de tochos, barras, llantas, perfiles… que puede llegar a tener un mecanizador actualmente, y supongamos que pudiera dejar de mecanizar para fabricar por FA. Todo su almacén se reduciría a los diferentes materiales (en formato de polvos) que vaya a manejar.
- Por último, y quizás más rupturista, la FA puede romper paradigmas en cuanto a los modelos de negocio al permitir nuevos hábitos de consumo en varios sentidos:
El consumidor final está acostumbrado a “buscar en el mercado” qué es lo que puedo comprar que cubra mis necesidades; pues bien, con la FA el propio usuario podrá diseñarse su pieza (con programas de diseño CAD en 3D cuyo uso está cada día más extendido) y simplemente encontrar quién se la fabrique.
Otra posibilidad es que haya empresas que se especialicen en diseñar producto y otras en fabricar por FA, encargando las primeras su fabricación al centro de fabricación por FA más cercano al consumidor final. Esto reduciría muchísimo los largos y costosos transportes/ envíos, muchas veces intercontinentales, reduciendo radicalmente el plazo de entrega y los costes logísticos. En este caso deja de viajar la pieza física, y a cambio solo hay que enviar un fichero digital.
Otra posibilidad es que el propio consumidor final se diseñe y fabrique en su propia casa la pieza que necesita mediante las impresoras domésticas, o bien que “compre” el diseño y se lo fabrique en casa, si bien ambas opciones esta rían muy limitadas a los materiales y tecnologías soportados por las impresoras domésticas, cuyo potencial a día de hoy es aún bastante limitado.
Inteligencia:
En el caso de FA el proceso se simplifica tanto tecnológicamente, que prácticamente todo el conocimiento se centra en el diseño de producto.
Son los diseñadores los que deben poner más el foco en conocer las nuevas funcionalidades que se puedan incorporar a la pieza aprovechando las ventajas de la FA y menos en las restricciones tecnológicas del proceso, que en gran medida desaparecen. Esto abre un campo de efecto motivador al conocer mejor la funcionalidad de nuestra pieza para el cliente y acercarnos más al conjunto final donde se integra, si es el caso. Cuántas veces en las fábricas actuales nos encontramos con personas que no saben ni siquiera dónde o para qué se utiliza la pieza que está fabricando.
Pero además, aunque el proceso se simplifique tanto, en cuanto al diseño de producto es necesario conocer unas “reglas de diseño” particulares para cada tecnología/ material dentro de la FA. Estas reglas de diseño son las que nos permitirán optimizar una pieza por ejemplo para que no necesite postprocesos. Así, un mismo diseño puede fabricarse por FA dentro de una misma máquina de manera más o menos eficiente en función de la orientación de la pieza dentro de la máquina; o dicho de otra forma, si seguimos unas reglas de diseño concretas optimizaremos el proceso de FA. Esto supone un efecto incentivador para el diseñador, que sumado a la libertad de formas (lo cual deja abierto el éxito de una pieza a la habilidad/ imaginación del diseñador) hace que todos los días tenga cosas diferentes que aportar basadas en su creatividad e imaginación.
Todo ello a su vez va alimentando el concepto de fábrica–laboratorio según el cual voy aprendiendo de los trabajos actuales para mejorar en el futuro. Esto es, depurando mejor las “reglas de diseño” propias de los materiales y tecnologías que utiliza habitualmente por un lado, y descubriendo por otro nuevas formas de diseñar y nuevas geometrías que permitan cumplir funcionalidades hasta ahora impensables por la pieza en cuestión.
TI proactivas e inteligentes:
Al estar la FA en su etapa inicial de vida (aunque algunas tienen ya muchos años, no ha sido hasta hace unos pocos años que su utilización se ha extendido significativamente), aún están por desarrollar las TIC`s asociadas que puedan complementarlas.
Sin embargo necesariamente habrá que evolucionar las diferentes tecnologías hacia un mayor control del proceso, las TIC`s pueden jugar un papel importante en:
- Monitorizar el cumplimiento o no de las “reglas de diseño” para detectar, corregir y mejorar desviaciones o “reglas ocultas” aún no consideradas en cada caso.
- Monitorizar de igual forma los parámetros de proceso (espesores de capa, llenados o aligerados de partes sólidas,…) para comparar resultados y optimizar futuras ejecuciones.
Y particularmente, en este último punto es esencial que las TI inteligentes propongan mejoras de diseño y proceso, en base a parámetros y a mediciones realizadas en las piezas con el objetivo de lograr una capacidad cercana a 6sigma, cosa no muy fácil en la FA.
Entorno habitable:
En este aspecto la FA aporta fundamentalmente en dos aspectos:
- Por un lado la fabricación “near net shape” optimiza la utilización del material, de manera que se desperdicia cantidades muy pequeñas de material. Hay sectores como el aeronáutico en los que el ratio “flight to buy” de algunos mecanizados actuales no alcanza siquiera el 10% (es decir, que más del 90% del material comprado para una pieza determinada termina convertido en viruta).
- Por otro lado, una línea importantísima de aplicación de las tecnologías de FA es la de aligeramiento de piezas mediante vaciados internos, estructuras porosas… que permite optimizar aún más el material utilizado.
Además, el entorno fabril de este tipo de tecnologías no implica procesos sucios, ruidosos ni pesados, por lo que es mucho más “habitable” que la mayoría de las tecnologías de fabricación tradicionales.
Conclusión:
Se puede concluir por tanto que cuando hablamos de FA, más que “encajar” en la FF parece que hubieran sido “hechas a medida” para ser aplicadas en el nuevo paradigma industrial de la fábrica del futuro.
Aprovechemos por tanto las ventajas que nos ofrecen allí donde sea aplicable, porque al mismo tiempo estaremos evolucionando “sin darnos cuenta” hacia ese nuevo paradigma.
Autor:
Angel Hernán, Ingeniero Industrial, Gerente de GoldGym de Sisteplant. Profesor de la ETSII de Bilbao (Aula Aeronáutica)[:en]
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