Gemelos digitales en manufactura para una evolución eficiente

Los gemelos digitales permiten la simulación y optimización de procesos de fabricación, lo que resulta en operaciones más eficientes y costos reducidos en la producción de vehículos eléctricos.

Buen día, estimada comunidad de Modern Machine Shop México. En esta ocasión compartiré con ustedes un artículo de nuestros VP de Tecnología, Tim Shimbara y Christian Cavallo, quienes colaboran en nuestra revista en Estados Unidos, MTMagazine. Nos referiremos a la “Evolución eficiente” de una tecnología transformativa: el gemelo digital.

Comienzo por compartir una anécdota:

13 de abril de 1970. 9:07 a. m. La tripulación del Apolo 13 escucha un sonido de “pum-golpe-vibración” y después un conjunto de alarmas comienza a sonar.

Una explosión en los tanques de oxígeno dañó críticamente el motor principal. A más de 200 mil millas de distancia, el Control de Misión de NASA en Houston lucha por diagnosticar y solucionar un problema que ni ellos ni la tripulación pueden ver.

Por suerte, sabemos cómo termina la historia.

Los 15 simuladores de NASA, usados para entrenar y preparar la misión del Apolo 12 ante cualquier contingencia, se convirtieron en el campo de prueba para el primer “gemelo digital” y desarrollaron un papel crítico para salvar a los astronautas. Hoy, en manufactura avanzada, la tecnología ofrece optimización, velocidad y mucho más.

Claves para la adopción de gemelos digitales en sectores industriales

Un gemelo digital es más que una aproximación desarrollada por computadora o un simple modelo 3D: es una representación digital basada en datos siempre en evolución de un sistema.

Los simuladores físicos de NASA han sido reemplazados en nuestros días por espacios totalmente virtuales, donde información sensorizada completa los detalles, sin necesidad de adivinar por los mismos. Los sistemas de gemelo digital usan agregación y proceso de datos en tiempo real para simular —o “presentar a través de un gemelo”— un sistema, para proveer a los usuarios de una “caja de arena” indestructible que duplica los activos físicos. Si se provee suficiente poder computacional, su escala puede crecer desde números en serie e individuales hasta ecosistemas de negocios completos.

La tecnología está asociada al internet industrial de las cosas, computación en la nube, realidad extendida e inteligencia artificial. De hecho, la utilización de un gemelo digital es solo posible gracias a estas otras herramientas, ya que los sistemas requieren datos sensoriales in situ, recursos de servidores inmensos, y algoritmos para transformar los datos en información útil.

Y así como estas otras herramientas, la tecnología de gemelo digital madura y evoluciona con una variedad de sectores, y muestra su valor en aplicaciones “hechas a la medida”.

Impulso del gemelo gigital en la manufactura avanzada

La industria de la manufactura va a la cabeza en la adopción del gemelo digital. El tamaño de mercado para gemelos digitales en esta industria era de solo 590 millones de dólares en 2020. El mismo se espera que crezca hasta los 6,690 millones de dólares para el año 2025. La manufactura experimenta el salto más importante en crecimiento y utilización en estas cinco industrias: automotriz, aviación, energía y suministro, salud, y logística y venta al menudeo; sin embargo, todos los demás sectores muestran también un crecimiento global considerable.

La publicación MarketsandMarkets reportó en 2023 que “la región de América del Norte mantendrá la más alta penetración y utilización del gemelo digital del año 2023 al 2028”. Lo anterior, en parte, debido a los ecosistemas tecnológicamente maduros de la región, que ya cuentan con una infraestructura digital robusta, capacidades avanzadas de análisis de datos y talento humano capacitado.

El incremento en modelos de gemelo digital puede ser atribuido a facilitadores clave de automatización que allanan el camino y la base para la adopción. Estos incluyen mejores herramientas de inspección, robots industriales, optimización del almacenamiento de datos, y softwares mejorados de correlación y simulación.

Un reporte emitido en julio de 2023 por McKinsey & Co. manifestaba que “en industrias avanzadas, casi el 75 % de las compañías ya han adoptado tecnologías de gemelo digital que presentan al menos niveles medios de complejidad”.

Oportunidades y desafíos para las pymes en la era del gemelo digital

Gracias a los sistemas de datos escalables e integrados, existen ya oportunidades para talleres pequeños o jugadores en la cadena de suministro de los grandes OEM para acceder a la tecnología del gemelo digital.

El desarrollo de modelos de cada parte que sale del taller se convierte en un segundo activo. Los fabricantes pueden vender la representación digital de sus partes como un valor agregado al producto, y de esa manera contribuyen a mejorar los modelos de gemelo digital de su cliente, la compañía compradora. Aún más, los talleres pueden incrementar su productividad mediante esta tecnología para optimizar los espacios, de la misma forma que los fabricantes mayores lo consiguen.

También existen desafíos. Ese mismo estudio de McKinsey & Co. reportó: “Los jugadores en las industrias automotriz, aeronáutica y de defensa, parecen tener mayores avances en el uso de los gemelos digitales al día de hoy, mientras que compañías de logística, infraestructura y energía se encuentran en la fase de desarrollo de sus primeros conceptos de gemelo digital”.

Adicional a lo anterior, un estudio del año 2020 del NIST (National Institute of Standards and Technology) en cinco fabricantes mayores y un número de pymes dentro de la cadena de suministro automotriz y de carga pesada, concluyó que “la existencia de silos de información en las organizaciones y la falta de conocimiento del mundo físico son obstáculos para el desarrollo de un gemelo digital”.

Además, declaró: “Muchas de las compañías estudiadas son pymes que no cuentan con un departamento interno de tecnologías de información. De esa forma, para implementar un gemelo digital deberán aprender más del mismo y comprender los recursos (incluidos recursos de TI) requeridos para implementar el concepto”.

Sistemas completos de gemelo digital son aún una tecnología premium; esto se ilustra al charlar con cinco jugadores clave del mercado: General Electric, Microsoft, Siemens, Amazon Web Services y ANSYS, todos ellos con proyectos multimillonarios de desarrollo de los modelos.

La revolución silenciosa: cómo los gemelos digitales transforman la manufactura

Igual que Bluetooth o el wifi de alta velocidad, esta tecnología se enfoca a lo invisible, no intrusivo y ubicuo. En manufactura avanzada veremos mayor integración de sensores a sistemas que apoyarán los esfuerzos de datos agregados para construir los gemelos.

Tomemos, por ejemplo, las impresoras 3D: el monitoreo in situ dentro de las impresoras recolecta lecturas de cada nivel de polvo depositado. Esta observación capa por capa construye una representación de alta fidelidad de los defectos de la parte, al tiempo que remueve la necesidad por métodos de “prueba no destructiva”, como scans CT.

El Centro de Excelencia ASTM, en su guía estratégica de madurez de adopción de tecnología de manufactura aditiva, reporta los aspectos más maduros de esta tecnología:

• Imagenología por capas. “En los procesos PBF-LB y DED, cámaras fuera de eje pueden usarse para revisar y diagnosticar la calidad de la capa superior de la cama de polvo. Este método permite monitoreo del área de construcción por entero y buscar anomalías como poco flujo, preponderancias y más. La imagenología por capas ya está incluida en muchos sistemas comerciales y también la ofrecen varios OEM como una mejora a máquinas ya instaladas”.
• Modelos de distorsión y estrés residual. “Modelos de predicción y sistemas de monitoreo de efectos de distorsión causados por estrés residual han demostrado ser exactos en su predicción, detección y mitigación. Esta capacidad ya está incluida en paquetes y sistemas de software comercializados”.

Nvidia y BMW: pioneros en la implementación de fábricas digitales

Ya totalmente implementados, los gemelos digitales facilitan la compra de hardware más allá de las suposiciones y les permiten a los negocios reasignar el piso de manufactura, además de optimizar los diseños de celdas sin estimaciones.

El gigante de los GPU, Nvidia, ayuda a la BMW a transformar su nueva red de producción a una fábrica totalmente virtual y digital. Operado por su ERP Omniverse, la planta de autos eléctricos de BMW en Debrecen, Hungría, se construye virtualmente antes de su apertura en 2025.

Nvidia lo describe de la siguiente manera: “Con Omniverse, el equipo BMW puede agregar datos en modelos masivos y de alto desempeño, conectar sus herramientas de software específicas al dominio y habilitar colaboraciones multiusuario en diferentes sitios. Todo ello es posible desde cualquier lugar y en cualquier dispositivo. Comenzar a trabajar en la fábrica virtual dos años antes de su apertura, le permite al grupo BMW asegurar una operación sin sobresaltos y de óptima eficiencia”.

Y los beneficios son también monetarios: “Implementar órdenes de cambio y reoptimizaciones de flujo en fábricas que ya existen es muy costoso y causa paros de producción. La habilidad de preoptimizar virtualmente elimina dichos costos”.

Puntos clave

Los gemelos digitales aprovechan la computación y la tecnología de recolección de datos integrada para crear un modelo de manufactura avanzada. Aquí presentamos las claves por considerar para los empresarios interesados en esta tecnología:

1. Los gemelos digitales usan datos en tiempo real para evolucionar, y parean el sistema físico tanto como sea posible. Ello permite la optimización de procesos totalmente virtualizados, igual que diagnósticos y diseños con casi infinita libertad.
2. La industria de la manufactura es uno de los espacios de crecimiento acelerado de los gemelos digitales.
3. Las pymes de manufactura tienen mucho que ganar con esta tecnología, que ya dispone de los recursos de TI y la base de conocimiento para su despliegue.
4. Fabricantes de herramentales ayudan a cerrar la brecha al incluir estos recursos en sus equipos, por ejemplo, impresoras 3D de metal con capacidades de modelación e imagen predictiva.
5. El trabajo de Nvidia en la planta de BME muestra cómo la manufactura avanzada va adoptando esta tecnología y como la cadena de suministro la integrará al proceso.

Los dejo, entonces, con la consideración de comenzar a trabajar en modelos de gemelo digital y beneficiarse de esta nueva tecnología.

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