Evolución Eficiente de una tecnología que transformará el piso de fábrica: El gemelo digital

Bogotá 11 de marzo 2024-. La narrativa comienza compartiendo una anécdota significativa: el 13 de abril de 1970, a las 9:07 AM, la tripulación del Apolo 13 escuchó un sonido de “pum-golpe-vibración” seguido por el inicio de un conjunto de alarmas. 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 luchó por diagnosticar y resolver un problema que ni ellos ni la tripulación podían ver directamente. Afortunadamente, el desenlace de esta historia es bien conocido.

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

Más que un modelo

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 físico. Los simuladores físicos de la NASA han sido reemplazados por espacios totalmente virtuales donde la información sensorizada completa los detalles, eliminando las conjeturas.

Los sistemas de Gemelo Digital utilizan la agregación y el proceso de datos en tiempo real para simular – o “presentar a través de un gemelo” – un sistema físico, proporcionando a los usuarios 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.

Esta tecnología está asociada al “Internet Industrial de las Cosas”, la computación en la nube, realidad extendida e inteligencia artificial. De hecho, la utilización de un gemelo digital solo es 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.

Así como estas otras herramientas, la tecnología de gemelo digital sigue madurando y evolucionando, con una variedad de sectores ya cosechando su valor en aplicaciones “hechas a la medida”.

Su uso genera ganancias

La industria de la manufactura lidera la adopción del gemelo digital. El tamaño de mercado para gemelos digitales en la industria de la manufactura era de solo US$590 millones en 2020, esperándose que crezca hasta los US$6,690 millones para el año 2025. La

manufactura experimenta el salto más importante en crecimiento y utilización de cinco industrias, siendo estas: automotriz, aviación, energía y suministro, salud, y logística y venta al menudeo; sin embargo, todos los otros sectores también muestran 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”, debido en parte 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, mejoramiento en 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”.

Barreras y oportunidades

Gracias a los sistemas de datos escalables e integrados, existen oportunidades para talleres pequeños o jugadores en la cadena de suministro de los grandes OEM´s de 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 adicional al producto, colaborando así a mejorar los modelos de gemelo digital de su cliente, la compañía compradora. Además, los talleres pueden incrementar su productividad usando esta tecnología para optimizar los espacios de la misma forma que lo consiguen los fabricantes mayores.

Existen también desafíos. El mismo estudio de McKinsey & Co. reportó: “Los jugadores en la industria automotriz, aeronáutica y de defensa, parecen tener mayores avances en el uso de los gemelos digitales al día de hoy, mientras que compañías en 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 realizado por el NIST (National Institute of Standards and Technology) en 5 fabricantes principales 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 representan obstáculos para el desarrollo de gemelos digitales.

El estudio prosiguió declarando que muchas de las compañías estudiadas son PYMES que no cuentan con departamentos internos de Tecnologías de la Información. Por tanto, para implementar un gemelo digital, estas compañías deben aprender más sobre el concepto y comprender los recursos (incluyendo los de TI) necesarios para su implementación.

Los sistemas completos de gemelo digital aún son considerados una tecnología “premium”. Esto se ilustra en conversaciones con cinco jugadores clave del mercado: General Electric, Microsoft, Siemens, Amazon Web Services y ANSYS, todos ellos involucrados en proyectos multimillonarios para el desarrollo de modelos de gemelos digitales.

Gemelo Invisible

En cuanto al Gemelo Invisible, tecnologías como el Bluetooth o Wi-Fi de alta velocidad, se enfocan en ser invisibles, no intrusivas y ubicuas. En la manufactura avanzada, se espera una mayor integración de sensores en sistemas que apoyarán en los esfuerzos de agregación de datos para construir los gemelos digitales. Por ejemplo, las impresoras 3D utilizan monitoreo “in-situ” para recolectar lecturas de cada nivel de polvo depositado, construyendo una representación de alta fidelidad de los defectos de las partes y eliminando la necesidad de métodos de prueba no destructiva como los escáneres CT.

El Centro de Excelencia ASTM, en su guía estratégica de madurez de adopción de tecnología de Manufactura Aditiva, reporta los aspectos más avanzados de esta tecnología, incluyendo la imagenología por capas y modelos de distorsión y estrés residual, demostrando la exactitud en la predicción, detección y mitigación de estos efectos.

Estos son 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 siendo incluida en muchos sistemas comerciales y también se ofrece por varios OEM´s 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”.

Caso de Estudios: Primera Fábrica Digital de VE

En el caso de estudio sobre la primera fábrica digital de vehículos eléctricos, la implementación de gemelos digitales facilita la compra de hardware más allá de las suposiciones, permitiendo a los negocios reasignar el piso de manufactura y optimizar los diseños de celdas sin estimaciones. Nvidia asistió a BMW en la transformación de su red de producción hacia una fábrica totalmente virtual y digital en Debrecen, Hungría, operada por su ERP Omniverse, lo que resultó en beneficios monetarios significativos al evitar costos de cambios de orden y re-optimizaciones de flujo en fábricas existentes.

Puntos clave:

· Los gemelos digitales usan datos en tiempo real para evolucionar, pareando el sistema físico tanto como posible. Ello permite por optimización de proceso totalmente virtualizada, igual que diagnósticos y diseñar con casi infinita libertad.

· La industria de la manufactura es uno de los espacios de crecimiento acelerado de los gemelos digitales

· Las PYMES de manufactura tienen mucho que ganar de esta tecnología, que ya cuenta con los recursos de TI y la base de conocimiento para su despliegue.

· Fabricantes de herramentales están ayudando a cerrar la brecha incluyendo estos recursos en sus equipos, como ejemplo impresoras 3Dde metal con capacidades de modelación e imagen predictiva.

· El trabajo de Nvidia en la planta de BME muestra cómo es que la manufactura avanzada va adoptando esta tecnología y como la cadena de suministro la integrará al proceso.

¡Consideren comenzar a trabajar en modelos de gemelo digital y beneficiarse de esta nueva tecnología!

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