Una mirada a la fábrica del futuro: combinación de robótica, fabricación aditiva e inteligencia artificial

Este contexto sombrío incitó a reflexionar sobre un atisbo de recuperación, donde la innovación podría impulsar a la industria manufacturera hacia un punto solo alcanzable si la situación actual no lo hubiera forzado. Esta visión utópica presenta la probable realidad de una fábrica completamente autónoma donde los materiales entran por un lado y las piezas fabricadas salen por el otro.

En este siguiente nivel del ‘just-in-time’, los métodos de optimización no se limitarían a la fabricación de piezas, sino que empezarían por el diseño de las formas, imaginado por ordenadores con métodos de cálculo que superan el ingenio humano. Esta mejora permitiría crear geometrías de piezas antes inexistentes y fabricarlas con medios casi futuristas mucho más avanzados que los métodos tradicionales. La única constante que se mantendría con respecto a nuestros procesos de fabricación actuales es la necesidad de un control de calidad, que acabaría conduciendo a un control de calidad totalmente automatizado.

Tres elementos son fundamentales para lograr la fábrica del futuro: la robótica, la fabricación aditiva y la inteligencia artificial. En el presente artículo, intentamos desarrollar un esbozo de este futuro, incluidas sus implicaciones, consecuencias y, sobre todo, beneficios para el crecimiento y los ingresos de las empresas.

Es posible vislumbrar un futuro en el que nadie entre ni circule por las fábricas, ya que las máquinas realizan todas las operaciones, transformando las materias primas en bienes finales de la forma más rápida y segura posible. En consecuencia, la planta se convierte esencialmente en un espacio donde los robots desarrollan un ballet electromecánico, coreografiado al milisegundo y realizado sin descanso en un entorno pacífico pero rugiente.

En ausencia de humanos, los estándares de seguridad se pueden reinventar, los protocolos se pueden revisar, las velocidades de operación se pueden acelerar y el turno completo se puede optimizar porque la salud y la seguridad de los trabajadores ya no son una preocupación. Las luces pueden incluso apagarse ya que todas las acciones son guiadas por sensores ópticos y de movimiento.

Si bien las fábricas de hoy están diseñadas para permitir que los manipuladores de materiales se desplacen de manera segura, las fábricas del futuro serán bastante diferentes. En plantas completamente automatizadas, los incansables robots se mueven uno al lado del otro con eficacia a lo largo de vastos pisos, haciendo giros muy adyacentes entre sí. Realizan sus tareas diligentemente y solo hacen una pausa para el control de calidad.

Los almacenes de Amazon, con su inventario de bienes y sistemas de recuperación que usan una serie de robots para mover la mercancía de los fabricantes a los usuarios, ya ofrecen un vistazo de la fábrica del futuro. Y el progreso no debería detenerse ahí, ya que Amazon también está desarrollando drones y vehículos autónomos para acelerar las entregas y completar los viajes robóticos de sus productos con estilo.

Boston Dynamics también ha contribuido al auge de la robótica mediante el desarrollo de robots humanoides móviles y versátiles para el manejo de cajas en diferentes operaciones de almacén. Estos robots inteligentes aceleran nuestro progreso hacia la fábrica del futuro al automatizar el manejo de cajas en cualquier parte del almacén con movilidad avanzada y sistemas de visión de última generación, eliminando la necesidad de nuevas infraestructuras fijas.

Algunas industrias ya han dado un paso hacia el futuro aprovechando el poder de las tecnologías de fabricación más avanzadas. Desde la creación acelerada de prototipos y la agilidad mejorada en la personalización de diseños hasta reducciones significativas en el inventario de piezas excedentes, la fabricación aditiva es una tecnología disruptiva que tiene el potencial de revolucionar la fabricación desde la perspectiva de los costos y la eficiencia.

Los dispositivos médicos, los vehículos aéreos no tripulados y los motores a reacción ahora se pueden fabricar con impresoras 3D de grado industrial. No es sorprendente que la gama de materiales imprimibles siga ampliándose. Además de los plásticos básicos y las resinas fotosensibles, ahora incluyen cerámica, cemento, vidrio, numerosos metales y aleaciones, y nuevos compuestos termoplásticos infundidos con nanotubos y fibras de carbono.

Entre los pioneros de la impresión 3D en metal se encuentra Lincoln Electric Additive Solutions, fabricante de prototipos, piezas de producción y repuestos a gran escala y herramientas hechas de acero y acero inoxidable, Invar y aleaciones de níquel.

Debido al tamaño y la complejidad de las piezas metálicas que Lincoln Electric imprime en 3D, una evaluación precisa de las dimensiones es fundamental para evitar problemas de consistencia en la calidad. Sin embargo, realizar el control de calidad en piezas muy grandes y pesadas que aún están demasiado calientes para tocarlas es un desafío que, hasta el momento, solo se puede lograr con tecnologías de escaneo 3D precisas, portátiles y sin contacto. Por lo tanto, tener acceso a un control de calidad moderno para detectar defectos y desviaciones directamente en la producción sigue siendo esencial para el avance futuro de las soluciones aditivas.

El siguiente paso es incorporar la inteligencia artificial al diseño de piezas y, así, descubrir caminos que aún no han sido explorados. Dado que la inteligencia humana aborda el diseño de una manera muy pragmática, la correlación entre la geometría de la pieza y sus funciones mecánicas suele ser bastante directa. Ahora, sin embargo, con el auge de la inteligencia artificial y sus millones de cálculos por segundo, podremos crear formas nunca antes vistas, con un nivel de complejidad que no podría haber imaginado el ser humano.

Comenzando con los puntos de unión y las diversas restricciones de ingeniería (térmicas, de tensión o de resistencia) a las que estará sujeta la pieza en su entorno, la inteligencia artificial puede simular toda la red de restricciones y obtener, de forma iterativa, un diseño optimizado que minimice el material. residuos de uso y producción mientras se mantienen los estándares de rendimiento y se cumplen los objetivos de diseño.

Esta forma de inteligencia artificial que aprovecha el poder del aprendizaje automático para optimizar todo el proceso de diseño hasta la fabricación se llama diseño generativo. Cada vez más popular entre los diseñadores, acelera todo el proceso de diseño, lo que permite a las empresas llegar más rápido al mercado con diseños ya perfectamente adaptados a sus aplicaciones.

Con estos nuevos conocimientos de diseño, los fabricantes pueden ahora optimizar la durabilidad de sus productos, eliminar las áreas débiles y seleccionar materiales más sostenibles. También pueden explorar nuevas soluciones de diseño que permitan consolidar múltiples componentes en piezas sólidas, reduciendo los costes de montaje y simplificando la cadena de ensamblaje. En resumen, la inteligencia artificial proporciona el poder de impulsar la innovación al máximo con productos de mejor calidad diseñados y construidos en menos tiempo.

Si bien este avance tecnológico es inminente, la inspección y la contravalidación son realidades que permanecerán en la agenda de las empresas manufactureras. Por supuesto, la máquina asume que está realizando la tarea correcta, que está imprimiendo la pieza en 3D correctamente. Sin embargo, solo un sistema de inspección a prueba de fallas puede verificar las dimensiones de las piezas impresas en 3D y confirmar su calidad de fabricación.

Por lo tanto, incluso si los humanos transfieren gradualmente algunas responsabilidades a las máquinas, su papel en el diseño y la fabricación de piezas sigue siendo indispensable para controlar la calidad, ya que deben validar que las piezas impresas en 3D cumplan con los archivos CAD. Por lo tanto, incluso si se elimina el error humano, el hecho es que la máquina no es perfecta. Las dimensiones y la calidad de las piezas impresas en 3D aún deben controlarse rigurosamente con sistemas de medición 3D precisos.

Para ello, Lincoln Electric Additive Solutions recurrió a la tecnología de medición 3D de Creaform, el MetraSCAN 3D, para generar modelos completos de superficie 3D de sus piezas metálicas impresas en 3D y compararlos con el CAD original. De esta manera, el equipo de inspección puede verificar rápidamente que cada característica se adhiere tanto a la intención del diseño original como a las tolerancias esperadas.

La automatización también afecta al control de calidad. Las plantas de producción, en las que era habitual ver soluciones de escaneado 3D manuales, están dando cabida a sistemas de inspección de calidad automatizados. Estas células robóticas, formadas por potentes escáneres ópticos 3D montados en robots, mejoran la calidad de varias maneras: eliminan los errores humanos, mejoran la repetibilidad y la precisión, permiten crear piezas más complejas e identifican los errores en el camino.

Por lo tanto, la automatización hace que la inspección de piezas sea más rápida y que la calidad del producto sea más precisa y repetible, lo que garantiza que los productos se fabriquen con los más altos niveles de calidad y puedan llegar al mercado de manera más eficiente.

Robots que realizan todas las operaciones, desde la manipulación hasta el control de calidad, algoritmos que crean las mejores geometrías según las restricciones de ingeniería, impresoras 3D de calidad industrial que producen todo tipo de piezas independientemente de su tamaño, complejidad y materiales: todos los bloques están ya ahí para que las empresas construyan su fábrica del futuro. Los retos impuestos por la COVID-19 y su impacto en la mano de obra son incentivos adicionales para realizar este cambio tecnológico e innovador. De un modo u otro, cuanto más tomen la delantera las empresas, más valdrá la pena invertir en sus ganancias de productividad y competitividad.

Aunque las máquinas son más eficientes que los seres humanos y la inteligencia artificial es capaz de aprender a lo largo del tiempo con datos prealimentados y experiencias pasadas, no pueden aprender a pensar fuera de la caja y, por tanto, no pueden ser creativas en su enfoque. Por tanto, el genio humano, la creatividad, la inteligencia emocional y el sentido de la ética seguirán siendo componentes esenciales de la fábrica del futuro.

En definitiva, los métodos de fabricación seguirán evolucionando al mismo ritmo que se desarrollan nuevos medios de diseño. Mientras la calidad siga siendo un imperativo, esta sinergia desencadenará posibilidades de creación y producción de un número infinito de nuevas piezas aún no vistas ni imaginadas.

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