Hacia una fabricación de composites energéticamente eficiente mediante la aplicación de tecnologías digitales innovadoras al proceso de conformado SMC

El conformado SMC (Sheet Molding Compound) es el proceso de referencia en cuanto a tecnologías de transformación que utilizan materiales compuestos. Actualmente el proceso de SMC representa el 26 % de la producción de composites a nivel europeo. El volumen de producción de los principales fabricantes europeos – algunos de ellos con plantas productivas en España - alcanza las 265.000 toneladas/año. Aunque la mayor parte incorpora como refuerzo fibra de vidrio, algunos de estos fabricantes ya han comenzado a comercializar el SMC con fibra de carbono, siendo sus principales mercados de aplicación los sectores del transporte/automoción, eléctrico y construcción.

El conformado SMC se caracteriza por un elevado consumo energético, al permitir la elaboración de piezas complejas con alta cadencia. De ahí que se hayan identificado necesidades de investigación y mejora para la optimización del proceso, tanto a nivel de tiempos de ciclo como de consumo energético, así como de formulación de materias primas.

A su vez, debido a la adopción cada vez mayor del SMC como tecnología de fabricación de componentes de automoción, estas necesidades se han visto amplificadas. Se trata de un sector altamente competitivo, por lo que la optimización del proceso es crítica, no sólo a nivel de precios, sino también a nivel de tiempos de proceso y calidades de pieza. Por tanto, la formulación de SMC empleada, junto con el control de calidad que asegure que los cambios que se introduzcan en el proceso - buscando la optimización energética - no repercutan de forma negativa en la calidad de la pieza obtenida, se convierten en parámetros clave a controlar.

En este escenario de oportunidad, surge el proyecto Open SMC 4.0 para abordar el reto de investigar en la aplicación de tecnologías digitales 4.0 a las distintas fases del proceso de conformado SMC, con objeto de optimizar su consumo energético, su coste y su impacto medioambiental, contribuyendo de este modo a mejorar la competitividad de las empresas del sector y a facilitar su transición energética.

Open SMC 4.0 es un proyecto de investigación industrial impulsado y coordinado por el Centro Español de Plásticos (CEP), con el apoyo del Cluster de Energía del País Vasco, ambos en calidad de Agrupaciones Empresariales Innovadoras (AEI), y que cuenta con la participación de 4 empresas de marcado perfil innovador (Barbara, Bestplant, Moldes Ura y Pretec) y dos centros tecnológicos de reconocido prestigio en el sector (Gaiker y el Instituto Tecnológico de Castilla y León).

El Centro Español de Plásticos (CEP), fundado en 1953, es el principal referente asociativo de los materiales plásticos y composites en España, y contribuye a la generación de conocimiento y al fomento de la inversión en actividades de I+D+i dirigidas a mejorar la competitividad de este sector.

El Clúster de Energía del País Vasco, constituido en 1996, integra a más 200 empresas y entidades que operan en las cadenas de valor más representativas del sector energético vasco, con el objetivo de impulsar su competitividad a través de la colaboración actuando como catalizador de las oportunidades que ofrece la transición energética.

Barbara es una empresa centrada en la digitalización en el sector industrial, facilitando el despliegue de la Inteligencia Artificial en el Edge mediante una solución tecnológica que permite la creación, despliegue y ejecución de algoritmos de Edge Computing de manera segura y escalable, la conexión de equipos industriales y la computación cibersegura en el Edge.

Bestplant es una empresa especializada en el acompañamiento al cambio en proyectos de Transformación Industrial y desarrollo de Soluciones Digitales 4.0, con una amplia y dilatada experiencia en optimizar los procesos de decisión en producción, focalizándose en la mejora continua de sus procesos productivos y recursos asociados.

Moldes Ura es una empresa familiar dedicada mayoritariamente a la fabricación de moldes de inyección de diversas tipologías: plástico, plásticos cromados, aluminio, caucho y de compresión de material termoestable.

Pretec es una empresa de servicios especializada en la transformación de plásticos reforzados termoestables SMC, BMC, melanina y baquelita, así como plásticos reciclados, con una amplia experiencia en el PIMC, tejidos, HPL y extrusión y prensado de plástico, y una gran proyección internacional en países como Brasil, Turquía o Alemania.

El Centro Tecnológico Gaiker, miembro de Basque Research and Technology Alliance (BRTA), dedica su actividad al desarrollo tecnológico y a impulsar la competitividad del tejido empresarial mediante el aprendizaje, especialización y posterior transferencia de tecnologías relacionadas con Plásticos y Composites, Medio Ambiente y Reciclado y Biotecnología.

El Instituto Tecnológico de Castilla y León (ITCL) impulsa y facilita el uso de la tecnología como herramienta de competitividad del tejido empresarial, siendo referente en el campo de las tecnologías aplicadas a la producción y soluciones inteligentes, específicamente en diseño electrónico, inteligencia artificial, telemedicina, realidad virtual y simuladores, eficiencia energética y sistemas de monitorización y control.

El proyecto, que desarrolla su actividad entre mayo de 2023 y abril de 2024, ha sido subvencionado por el Ministerio de Industria, Comercio y Turismo dentro del programa de apoyo a las Agrupaciones Empresariales Innovadoras (AEI) para contribuir a la mejora de la competitividad de la industria española, en el marco del Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia (PRTR) financiado por los fondos Next Generation de la Unión Europea.

Open SMC 4.0 tiene como objetivo lograr la optimización energética del proceso de fabricación de piezas con el proceso de conformado de SMC, como llave para la mejora de la competitividad de las empresas desde una perspectiva integrada de transición energética e industria 4.0.

Para ello, los resultados del proyecto girarán en torno a la investigación de una nueva formulación de SMC que proporcione menores temperaturas de curado y tiempos de proceso, un sistema inteligente de gestión energética que sea capaz de recoger información del proceso, combinarla con un gemelo digital del mismo y seleccionar estrategias de optimización y control, cuantificando su impacto energético y económico en la cadena de valor. De este modo, se dotará a las empresas tanto de herramientas para desplegar la mejora energética como de información para la toma de decisiones estratégicas.

Para alcanzar dicha meta, se abordan trabajos de investigación industrial en los tres elementos clave del proceso: la prensa de termo-conformado, el proceso de diseño del molde y en la formulación del material, analizando el detalle los parámetros de proceso que condicionan el comportamiento energético de dichos elementos, con el objetivo de identificar aquellas estrategias (de diseño, gestión o control) que logran optimizar el desempeño energético.

El proceso de investigación industrial se enfoca en 3 grandes pilares de trabajo:

1. Diseño desde el punto de vista de la formulación del material preimpregnado para SMC, del diseño del molde y de los parámetros de proceso de termoconformado.

2. Monitorización del proceso y recogida y analítica de datos en tiempo real.

3. Generación de un modelo digital que permita de forma intuitiva visualizar la evolución de los datos y comportamiento de prensas y moldes.

En cada uno de ellos se emplean tecnologías innovadoras y habilitadoras de la Industria 4.0 para el estudio energético de los procesos, diseño de gemelo digital, detección de anomalías y propuesta de estrategias de optimización y control. Dentro de este ámbito, cabe destacar tecnologías como el IoT y Big Data para monitorización, simulación y computación en la nube para el proceso de digitalización y la integración de sistemas, trasladando la inteligencia artificial a la computación en el Edge para la elaboración de sistemas de gestión energética inteligente capaces de tomar decisiones en tiempo real, optimizando al máximo el consumo y garantizando la seguridad de los datos.

Desde un punto de vista estratégico, el proyecto aborda las principales problemáticas energéticas y medioambientales del sector industrial, alineándose para ello con los principales objetivos estratégicos europeos y nacionales de cara al desarrollo sostenible basado en la descarbonización y el uso eficiente de los recursos.

En este sentido, se plantea el uso eficiente de recursos energéticos y otros aspectos relacionados con la optimización de la producción tales como la formulación del material preimpregnado usado en el proceso de fabricación de piezas mediante termoconformado del SMC, el enfoque de la mejora del diseño del molde, de forma que se optimice la transmisión térmica, las inercias térmicas o las pérdidas, estableciendo estrategias para posibilitar la adaptación y reutilización de moldes obsoletos mediante la investigación de las potenciales mejoras y de cómo se van a incorporar, y optimizando las condiciones de diseño del molde (estanqueidad, capacidad de transferencia/disipación de calor, aislamiento) para lograr un proceso óptimo en el sentido de minimización de las necesidades energéticas y de desechos de material.

De forma holística, en este proyecto se considera el comportamiento energético durante el funcionamiento del proceso desde un enfoque integrado de consumo de energía, coste económico e impacto ambiental dirigido hacia una transición energética. En este caso, el objetivo es satisfacer las necesidades de producción (volumen, cadencia y calidad) con el menor consumo energético posible. Para ello se plantean estrategias de gestión inteligente, optimización dinámica de consignas de funcionamiento y gestión inteligente de consumos en periodos de parada o espera.

El resultado principal del proyecto Open SMC 4.0 será una plataforma digital de gestión energética inteligente que recoge el conocimiento generado y lo transmite a través de la comparación del gemelo digital del proceso de SMC con los datos tomados a tiempo real a través de proceso de digitalización y modelado. Ésta interactúa tanto con persona como con máquina, facilitando información sobre el estado del proceso y las estrategias de optimización alcanzables para el primero y actuando directamente y de manera dinámica sobre el sistema de control para mantener el proceso en un punto de eficiencia óptima para el segundo.

Dicha plataforma digital se basa en tecnologías innovadoras y habilitadoras de la Industria 4.0 aplicadas a un gemelo digital, que sea capaz de transformar los datos monitorizados por una empresa en conocimiento aplicable para la optimización energética de su proceso productivo. Esta plataforma actuará como un modelo de interacción entre la empresa y el propio gemelo virtual donde existe un flujo de datos que se introduce en la plataforma y se convierte en información útil, lo que permite devolver esa información a la empresa en forma de conocimiento para la puesta en marcha de diversos tipos de mejoras.

El estudio del proceso de conformado de SMC definirá la sensórica a implementar, la estrategia de monitorización y optimización energética a desarrollar, y el digitalizado del proceso a optimizar, obteniendo los parámetros críticos del proceso de conformado de SMC y estudiando, desde un punto de vista teórico, el consumo actual de la prensa y los equipos periféricos durante todo el proceso de conformado, que se comparará con los resultados prácticos obtenidos por el estudio del proceso real.

Los resultados del proyecto en relación con el avance del estado de la técnica de monitorización del conformado de SMC impactarán positivamente en todos los agentes de la cadena de valor de la industria de la transformación de composites por SMC, diseño, formuladores de SMC, moldistas, transformadores y recicladores, permitiendo a las empresas lograr una mayor eficiencia de los recursos en los procesos de producción y una mayor capacitación tecnológica, a la par que un menor efecto negativo en el medioambiente de la actividad productiva que desarrollan las empresas de fabricación de composites por SMC, un significativo ahorro energético y nuevas formulaciones, elementos muy demandados por estas empresas en el momento actual de altos precios de la energía y de las materias primas.

Además, la realización de este proyecto permitirá investigar una tecnología de monitorización en cavidad (in-mould monitoring) relacionada con los datos de consumo energético de la prensa y periféricos que, junto a una formulación de SMC adecuada a los parámetros de proceso, permitirá verificar que la optimización energética no está reñida con el requerimiento de obtención de pieza buena. Todo esto se realizará sobre un molde de más de 30 años, lo que sentará las bases para el desarrollo de un sistema que permitirá el aumento de la vida útil tanto del parque de moldes, como de la maquinaria en activo del resto de empresas del sector.

Además, Open SMC 4.0 despliega algunos elementos clave para acelerar la digitalización del sector de plástico, y en concreto, en el proceso de conformado de SMC con la monitorización y análisis del proceso que permita optimizar el consumo energético de éste sin perder calidad en la pieza final. El empleo de sistemas inteligentes aplicados sobre infraestructuras optimizadas tanto en Cloud como Edge, junto con el gemelo digital, garantiza el análisis adecuado de datos para la selección de parámetros que permitan la consecución del objetivo general del proyecto, así como las directrices de los componentes a adaptar y/o actualizar tanto de la máquina como de sus periféricos u otros componentes tales como el molde.

Proyecto subvencionado por el Ministerio de Industria, Comercio y Turismo dentro del programa de apoyo a las Agrupaciones Empresariales Innovadoras (AEI) para contribuir a la mejora de la competitividad de la industria española, así como de la Unión Europea a través del Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia.