El volumen de datos desencadena la cuarta revolución industrial

En puros términos de mecanizado, la incesante búsqueda del sector de fabricación de un método con el que producir piezas bien acabadas a un cierto coste y en un periodo de tiempo determinado ha llegado a su fin. A menos que aparezca una solución de herramienta totalmente innovadora, los enfoques tradicionales, que se centran únicamente en el aumento del volumen de extracción de viruta, tan solo lograrán aumentar en unos pocos puntos porcentuales la producción.

Las futuras mejoras significativas en cuanto a productividad, calidad y fiabilidad del mecanizado provendrán de la cuarta revolución en la tecnología de fabricación desencadenada por los datos. Los nuevos acontecimientos representan la última etapa de una larga evolución. La primera revolución de la fabricación consistió en pasar de actividades artesanales en casa a la producción en fábricas con fuentes de energía centralizadas que alimentaban la maquinaria de fabricación. Las correas y los ejes mecánicos distribuían la energía de las ruedas de agua o de vapor entre las máquinas de la fábrica. Al tiempo, ya se comenzó a usar un sistema más conveniente y eficiente con energía eléctrica.
Las primeras fábricas producían productos de uno en uno. En la segunda revolución, se amplió la producción de una única pieza a la producción en serie.

El desarrollo de los sistemas integrados, como las líneas de montaje y los transfers, y la automatización aceleraron la producción de altos volúmenes de piezas idénticas. La tercera revolución en la tecnología de fabricación llegó con la introducción del control numérico de las máquinas y la posterior automatización y control por ordenador, lo que proporcionó mayor precisión y flexibilidad, y facilitó la producción de un menor volumen de una mayor variedad de piezas distintas.

Ahora el sector de la fabricación se encuentra en plena cuarta revolución, denominada en Europa como "Industria 4.0", que integra la adquisición de datos, el almacenamiento y las tecnologías de uso compartido actuales en el proceso de fabricación. Los sistemas ciberfísicos conectados analizan las operaciones en curso, recopilan y comparan datos y envían la información a un servidor central o a la nube para compararlos con los modelos de mecanizado establecidos. Estos sistemas usan los resultados para indicar ajustes de parámetros que optimizan los procesos de mecanizado.

Los primeros sistemas de control y supervisión
Hace ya un tiempo que se conoce el concepto de fabricación basada en datos. En la década de 1980, los investigadores del sector metalúrgico trabajaron para crear herramientas de control y supervisión adaptables destinadas a medir las condiciones de corte, comparar los datos a fin de establecer normas de procesos y ajustar los parámetros de mecanizado para estabilizar las operaciones y minimizar posibles problemas de mecanizado imprevistos.
Estos sistemas empleaban sensores y sondas para medir los factores del proceso, tales como fuerzas de corte, potencia, par, temperaturas, rugosidad de la superficie y emisiones acústicas. Lamentablemente, la tecnología de sensores de aquella época era insuficiente, no contaba con la rapidez y precisión necesarias para ser plenamente eficaz. Además, los ordenadores carecían de la velocidad de procesamiento y de la memoria necesarias para manejar grandes cantidades de datos en tiempo real, con el problema añadido de que la tecnología de gestión y adquisición de datos de última generación era muy cara.

Esas deficiencias hacían casi imposible realizar ajustes de parámetros en tiempo real, por lo que la situación no ofrecía muchas posibilidades. Si los datos recopilados superaban los parámetros máximos establecidos, el proceso de mecanizado simplemente se detenía. Sin embargo, los máximos se fijaban sin tener el suficiente conocimiento sobre los distintos enfoques de los procesos de mecanizado. Además de la carencia de una tecnología avanzada de procesamiento de datos, se obviaba el concepto clave: la mayoría de los distintos fenómenos físicos del proceso de mecanizado como temperatura, fuerzas y cargas, no son condiciones estáticas sino dinámicas que cambian constantemente.

Por ejemplo, las fuerzas de corte en una determinada operación pueden ser de 1000 Nm de media. Sin embargo, más del cincuenta por ciento del tiempo esas fuerzas están por encima de los 1000 Nm, y por debajo de ese nivel durante el tiempo restante. Si el nivel de mecanizado del sistema se establece en 1000 Nm, el proceso se detendrá porque las fuerzas parecen ser demasiado altas. (Tenga en cuenta que los gráficos muestran las mediciones realizadas en un periodo de tan solo ocho microsegundos,lo que demuestra la rapidez con la que cambian estas fuerzas. Procesar datos a esa velocidad no era posible en la década de los 80).

Actualmente, casi 40 años más tarde, las tecnologías informáticas y de sensores son mucho más precisas, rápidas y económicas. La investigación de los procesos de fabricación ha evolucionado mucho durante estas cuatro décadas y ofrece mejores enfoques acerca de los elementos clave del proceso.

Recopilación y conexión de los elementos
Es importante entender las funciones de los diferentes elementos del proceso. Hay, de hecho, más de 80 elementos medibles que influyen en las operaciones de mecanizado. Es fundamental que todos los elementos se recopilen, se conecten e interaccionen. Si no se tiene en cuenta un elemento, los efectos pueden ser inesperados e incontrolables.
Tras la recopilación y el análisis, se debe dar prioridad a los datos según el impacto de cada elemento en el proceso. Es evidente que la elección de herramientas tiene un efecto significativo. En el sector del mecanizado se trabaja con un conjunto de herramientas de producción: la máquina-herramienta, el sistema CAM, la herramienta de corte, la sujeción y los útiles, y el refrigerante y, además, en Industria 4.0, con sistemas de recuperación y transmisión de datos y sensores.

La base de todo proceso de mecanizado es la interacción de la herramienta de corte con la pieza. Sin embargo, en el enfoque tradicional de desarrollo de procesos de mecanizado, a menudo la herramienta de corte es la última de las consideraciones. En la planificación de la producción de una pieza, normalmente los usuarios eligen primero la máquina-herramienta, después los útiles, el sistema de refrigeración y otros equipos y, por último, la herramienta de corte. Esto se traduce en una situación en la que la herramienta de corte tiene que adaptarse a los ajustes de otros elementos del proceso que no son los óptimos.

Por ejemplo, si la máquina-herramienta seleccionada es un poco inestable, se necesita una herramienta de corte que genere fuerzas de corte más bajas para compensar la falta de estabilidad. Sin embargo, esa herramienta puede quedarse corta cuando se trata de maximizar la productividad del material específico que se va mecanizar. En ese caso, la consecuencia final de elegir la herramienta de corte en último lugar es un sistema de fabricación mediocre que funciona muy por debajo de su potencial.

Afortunadamente, ya hay muchas personas del sector de la fabricación que se han dado cuenta de que es más adecuado funcionar al revés: en primer lugar, y tras examinar la forma y las características del producto final, el material a mecanizar y el nivel de calidad requerido, los talleres deben seleccionar la herramienta de corte con una geometría y un material específicos que proporcione la máxima productividad y cumpla los requisitos específicos de ese proceso. A continuación, las decisiones sobre los demás elementos del proceso se pueden centrar en la creación de un entorno en el que la herramienta de corte funcione a su
máxima potencia.

Operaciones equilibradas
Después de que un taller elija los elementos del proceso de mecanizado, se debe equilibrar la interacción entre estos elementos para conseguir la máxima productividad y los costes mínimos. De hecho, se producen constantes problemas de fabricación relacionados con la producción y los costes del mecanizado.
Algunos de los factores obvios de este proceso son el rendimiento de la herramienta junto con los costes de la herramienta y del mecanizado en general. Sin embargo, existen factores que no son tan evidentes como los resultantes de procesos de mecanizado poco fiables que mecanizan piezas de mala calidad o piezas rechazadas y aumentan los costes, y otros que contribuyen a aumentar los tiempos de inactividad imprevistos.

Aunque hay actividades previstas como la programación y el mantenimiento que forman parte del tiempo no productivo, existen otros factores, tales como los errores del operador, herramientas averiadas, piezas dañadas y problemas del sistema que aumentan innecesariamente los tiempos del proceso y los costes.
Aunque las herramientas de corte, las anomalías en el material de la pieza y en los procesos contribuyen ligeramente a las pérdidas de tiempo, esta contribución resulta insignificante comparado con el tiempo perdido por problemas relacionados con el personal y los sistemas.
Industria 4.0 enfatiza la recopilación digital de datos, Internet y el almacenamiento en la nube, pero estos componentes son solo una parte de la solución. Al final, los datos se deben analizar para construir un esquema o modelo físico que defina el proceso en cuestión.

Los sistemas ciberfísicos comparan los datos recopilados con el esquema y el sistema genera conclusiones para ejecutar modificaciones en el proceso que producirán los resultados deseados. El control de procesos no lo lleva a cabo solo un humano, sino también el ordenador que analiza y compara los datos con el modelo en tiempo real.

Por tanto, el modelo almacenado en la nube debe describir con precisión los elementos del proceso. La construcción de dicho modelo exige una comprensión profunda de las operaciones. Por desgracia, la realidad del mecanizado es difícil de describir con exactitud. Por ejemplo, un modelo debe reconocer las propiedades dinámicas del material a mecanizar porque los cambios de dureza de la pieza provocan fuerzas de corte variables, pero es imposible medir la dureza de cada pieza. Y, en algunos casos, la dureza de la pieza podría ser un 10 % mayor que la dureza nominal del material, lo que conduce a fuerzas de corte un 10 % superiores.

Mantener el control humano
Un modelo que aprendiera durante el proceso de funcionamiento y se modificara automáticamente para proporcionar una descripción cada vez más exacta del proceso sería una solución parcial a este dilema sobre el control de procesos. Pero la tecnología debe recorrer aún un largo camino para llegar a ese punto.
Por lo tanto, los ingenieros de fabricación deben saber cómo se concibió y construyó un modelo para determinar si su base para la gestión de los procesos de corte es válida. De esta forma, si los parámetros elegidos mediante la interacción del modelo con los datos de corte son discutibles, el ingeniero conocerá la base sobre la que se realizaron ciertas elecciones y puede decidir si se deben anular. El sistema ciberfísico puede controlar el proceso de mecanizado completo, pero es el ingeniero de fabricación quien tiene el control sobre ese sistema.

Mediante la consulta de décadas de experiencias de investigación y campo, Seco construye y ofrece modelos de proceso extremadamente precisos. Estos modelos no son cerrados e invariables, sino que proporcionan la capacidad de introducir y eliminar elementos para que el proceso tome la dirección correcta ya que la experiencia, la perspectiva y el raciocinio humanos son esenciales para el éxito final de la nueva revolución de la fabricación, Industria 4.0.

La producción manufacturera cierra el círculo
El progreso de la tecnología de fabricación en los últimos tres siglos ha dado lugar tanto a una mejora inmensa de la productividad como, en los últimos años, al aumento en gran medida de la capacidad desatisfacer las necesidades específicas del cliente.
Los primeros fabricantes eran artesanos que trabajaban en sus casas fabricando artículos esenciales como ropa, cristalería, cuencos y mobiliario para su propio uso. Cada producto se hacía a medida y era único.
Dejando atrás la subsistencia básica, los artesanos emprendedores comenzaron a realizar varias copias de sus productos caseros para otros.
Posteriormente, los artesanos comenzaron a unirse en grupos para trabajar juntos por intereses comunes en instalaciones como herrerías u hornos para vidrio, lo que aumentó mucho la eficiencia de la producción, además de proporcionar otras ventajas, como la puesta en común de las técnicas. La producción también aumentó cuando se pudo distribuir una fuente centralizada de energía, como la rueda de agua, la energía de vapor o de la electricidad por toda una fábrica.

Las primeras fábricas producían piezas de una en una. La fabricación de varios productos uniformes comenzó con el desarrollo de las líneas de montaje, en las que cada trabajador realizaba una operación independiente de forma repetitiva a medida de que el producto se transfería desde una estación de trabajo a la siguiente, hasta su finalización. Este fue el comienzo de la producción en serie: una producción fiable de una gran cantidad productos idénticos, al menos según las tolerancias de fabricación de aquella época.

Quizá la máxima expresión del concepto de línea de montaje era el de la línea de transfer en la automoción, que ya en aquella época suministraba miles de piezas idénticas ininterrumpidamente.
El aumento de la comercialización de los productos alteró la perspectiva de la producción en serie: en la férrea competencia capitalista, los comerciantes procuraban aumentar sus clientes ofreciendo productos modificados para satisfacer las exigencias de los pequeños segmentos del mercado.

Un ejemplo perfecto de esta situación se dio cuando los primeros fabricantes de automóviles abandonaron aquella filosofía de marketing de "El cliente puede elegir el color de coche siempre y cuando sea negro" del modelo Ford T para ofrecer a los clientes una variedad de colores y opciones cada vez mayor. Para satisfacer las exigencias individuales de los consumidores, los fabricantes tenían que ser flexibles y encontrar métodos para cambiar de manera eficaz entre los diferentes procesos de fabricación. El control numérico de las máquinas mediante cintas de papel perforadas, y más tarde, el control numérico por ordenador, ofrecieron la posibilidad de cambiar los procesos y las herramientas de manera rápida y fiable. Al mismo tiempo, las mayores capacidades de los sistemas de automatización redujeron el tiempo de manipulación de piezas y los costes de mano de obra. En las últimas décadas, las celdas de fabricación CNC que cambian entre la elaboración de diferentes piezas o características de piezas con tan solo tocar unos cuantos botones ha sustituido, en su mayor parte, al concepto fiable pero difícil de modificar de la línea transfer.

Las tendencias en la comercialización de productos de consumo ilustran claramente las ventajas de la flexibilidad de la fabricación asistida por ordenador, ya que con la simple reprogramación de los elementos de una línea de fabricación los comerciantes pueden crear muchas extensiones de la marca. Y la tendencia hacia la individualización no se limita a la fabricación: grandes comercios están abriendo tiendas especializadas en formato más pequeño dirigidas a satisfacer las necesidades y preferencias de los consumidores individuales en relación con sus productos.

Esta individualización de la capacidad de fabricación es realmente imparable. Similar a la aplicación de la Industria 4.0, los modelos de la nube pueden utilizar la información de marketing para gestionar los cambios de productos, la automatización y los niveles de stock. Como también sucede en el funcionamiento de los sistemas de procesos de corte basados en la nube, será necesario que los comerciales sigan supervisando los sistemas de fabricación basados en marketing y garanticen que las decisiones que se toman sobre los sistemas tienen sentido.

Actualmente, la tecnología de fabricación aditiva permite a las personas producir piezas personalizadas en un propio hogar. Por lo tanto, parece que se ha llegado al fin de un ciclo de evolución completo en el que la fabricación basada en la información digital permite ahora la producción de elementos únicos fuera de una fábrica, como aquellos que fabricaban los artesanos hace siglos pero con unos niveles de precisión, velocidad y calidad sin precedentes.

Por: Patrick de Vos, responsable de formación técnica global de Seco Tools.