Plantas de ensamblaje a la vanguardia de la Industria 4.0

Las fábricas del futuro contarán con tecnología avanzada, como fabricación aditiva, inteligencia artificial, realidad aumentada, análisis de datos y gemelos digitales. Si bien muchos fabricantes todavía están intensificando sus iniciativas de Industria 4.0, varias plantas de ensamblaje ya están a la vanguardia. Están adoptando la Cuarta Revolución Industrial y cosechando sus beneficios.

El Foro Económico Mundial (FEM), en colaboración con McKinsey & Co., creó recientemente una lista de las fábricas más avanzadas del planeta. Estos "faros" fueron seleccionados de una encuesta de más de 1000 sitios de fabricación basada en un historial exitoso de implementación de tecnología de producción de última generación de maneras que han impulsado el impacto financiero y operativo.

Cada una de las 16 instalaciones es un “faro” de tecnología e innovación en la fabricación del siglo XXI. La mayoría de las plantas están ubicadas en Europa, mientras que cinco están en China y sólo una en América del Norte. Muchas de las fábricas en China son propiedad de empresas alemanas. Sin embargo, no importa dónde estén ubicados, todos los faros comparten tres características comunes: conectividad, inteligencia y automatización flexible.

"Este grupo selecto de sitios de fabricación representa la vanguardia en la adopción de tecnología a escala", dice Helena Leurent, directora de la Iniciativa Shaping the Future of Production Systems del WEF. “Nuestros esfuerzos por crear una plataforma de aprendizaje, con los faros como piedra angular, son parte del gran salto necesario para capturar los beneficios para el ecosistema de fabricación más amplio.

"Estos sitios sirven como faros para el mundo, ejemplificando el tipo de enfoque de producción que puede impulsar el próximo motor del crecimiento económico global", afirma Leurent. "Demuestran cómo la participación tecnológica con visión de futuro puede crear un mundo mejor y más limpio a través de nuevos niveles de eficiencia en la fabricación".

"La Cuarta Revolución Industrial es real", añade Enno de Boer, director global de fabricación de McKinsey. “Estos pioneros han creado fábricas que tienen entre un 20 y un 50 por ciento más de rendimiento y crean una ventaja competitiva. Tienen equipos ágiles... que están innovando rápidamente en el taller. Están pensando en escala, actuando con agilidad y restableciendo el punto de referencia.

"Los faros han podido implementar muchos facilitadores importantes, como los datos, la TI y los modelos de personas adecuados, para impulsar un cambio transformador", explica de Boer. “Mediante el uso de tecnologías digitales, incluida la automatización flexible y la robótica colaborativa, estos fabricantes establecen puntos de referencia en la industria.

"Una cosa que todas estas instalaciones tienen en común es que se centran en aumentar el operador y empoderar a la fuerza laboral", señala de Boer. “La tecnología se utiliza de una manera muy centrada en el ser humano. Permite a los operadores hacer lo que mejor saben hacer y al mismo tiempo permite una mejor producción, calidad y seguridad.

“Estas fábricas también se centran en democratizar la tecnología”, afirma de Boer. “Los operadores pueden crear sus propias aplicaciones y herramientas digitales sin conocimientos de codificación ni proyectos de TI largos y engorrosos.

"En el futuro, la fabricación se convertirá en un lugar de trabajo muy apasionante, debido a la convergencia de nuevas y fantásticas tecnologías", predice De Boer. "Preveo un renacimiento de la manufactura, especialmente cuando se trata de atraer a la próxima generación de talentos".

A continuación se presenta un breve perfil de varias fábricas en todo el mundo que son escaparates de la tecnología Industria 4.0 y la fabricación inteligente.

Ratisbona, Alemania, es una ciudad de Baviera famosa por sus calles y edificios medievales bien conservados. También alberga una de las plantas de ensamblaje de automóviles más modernas del mundo. Las instalaciones de BMW, de 33 años de antigüedad, que producen los sedanes Serie 1 y Serie 3, fabricaron más de 300.000 vehículos en 2018.

La estrategia de fabricación digital de BMW se basa en tres pilares: centrarse en la eficacia, la mentalidad adecuada y el fácil acceso. Todos los casos de uso digitales implementados deben servir para mejorar aún más sus procesos de producción en términos de calidad, costo y productividad, beneficiándose de un fácil acceso a la tecnología y al mismo tiempo adhiriéndose a una cultura de cooperación.

Al utilizar la plataforma de Internet de las cosas (IoT) personalizada de BMW, la planta de Ratisbona redujo el tiempo necesario para implementar todas las nuevas aplicaciones en un 80 por ciento. Esto condujo a una reducción significativa de los costes logísticos y a una reducción del 5 por ciento en los problemas de calidad.

"Los empleados [utilizan] una amplia gama de herramientas y accesorios digitales que pueden combinar para crear sus propias soluciones plug-and-play", dice Christian Patron, jefe de innovación, digitalización y análisis de datos de BMW Group. “Es un enfoque que mantiene a las personas firmemente centradas en la creación de valor y les ofrece aún más posibilidades para dar forma a sus propios puestos de trabajo.

"La digitalización del sistema de producción de BMW Group se está produciendo en gran medida en los campos de los sistemas innovadores de automatización y asistencia, la fabricación aditiva, el análisis de datos y la logística inteligente", explica Patron.

Actualmente, más de 3.000 máquinas, robots y sistemas de transporte autónomos están conectados a la plataforma IoT de BMW, construida en la nube de Microsoft Azure.

El análisis de datos desempeña un papel clave en el funcionamiento diario de la planta de Ratisbona.

"El análisis de datos inteligente está estableciendo nuevos estándares para nuestro sistema de producción", afirma Patron. “Al combinar la experiencia de nuestro personal con nuevas posibilidades para el procesamiento eficiente de grandes volúmenes de datos, podemos crear pronósticos precisos y optimizar procesos de manera proactiva. Esto acelera la mejora continua de nuestro sistema de producción de acuerdo con los principios básicos de la [fabricación] lean.

"Los resultados del análisis inteligente de datos contribuyen eficazmente a mejorar la calidad en todos los ámbitos de la producción y la logística", explica Patron. “Las mejoras basadas en datos en procesos y sistemas ayudan a reducir los tiempos de entrega y los costos.

"La velocidad con la que se pueden implementar nuevas soluciones está aumentando significativamente", señala Patron. "Al mismo tiempo, los nuevos sensores de IoT, combinados con tecnologías de nube y big data, están reduciendo la complejidad técnica y los costos de implementación involucrados".

Los ingenieros de BMW utilizan tecnología de análisis de datos para monitorear y analizar todas las conexiones atornilladas relacionadas con la seguridad del vehículo. Como parte de su estrategia preventiva de calidad, la automotriz ha desarrollado algoritmos que analizan juntas en más de 3.200 sistemas de ensamblaje.

"El registro y análisis de las curvas del proceso de empernado proporciona información precisa sobre la calidad de las conexiones atornilladas", dice Patron. “El programa puede reconocer diferentes tipos de fallas y mostrar posibles fuentes de errores en un diagrama de causa y efecto.

"El análisis de las curvas del proceso de apriete también proporciona información importante para el seguimiento sistemático de los sistemas y parámetros [de fijación], como el par de apriete", añade Patron. “Cuando se implementan rápidamente, estos hallazgos crean un circuito cerrado de mejora continua.

"En muchos casos, un análisis puramente manual de las curvas del proceso de empernado sólo daría como resultado un resultado de 'aceptable' o 'no aceptable', sin identificar la causa de los errores ni resaltar el potencial de mejora", afirma Patron.

"Cuando se trata de análisis de datos inteligentes, seguimos una estrategia clara para acercar los datos lo más posible a las personas en el proceso operativo", explica Patron. “Se trata principalmente de lagos de datos a los que pueden acceder plenamente los departamentos especializados, herramientas de análisis en soluciones de autoservicio y visualización práctica de datos. La analítica sólo puede ser eficaz si tenemos conocimientos prácticos”.

Sólo un faro citado por McKinsey y el WEF está ubicado en América del Norte. Es Fast Radius Inc., una empresa de fabricación aditiva con sede en Chicago que se especializa en piezas listas para producción.

Fast Radius produce en masa piezas de plástico y metal para clientes de una amplia variedad de industrias, incluidas la automotriz, aeroespacial, de bienes de consumo y de dispositivos médicos. Sus clientes van desde Husqvarna hasta Steelcase.

"La fabricación es importante no sólo por las cosas que fabrica, sino también por las cosas que hace posibles", afirma Lou Rassey, director ejecutivo de Fast Radius. “Alimentamos, alimentamos, conectamos y hacemos avanzar el mundo con las cosas que hacemos. Ahora tenemos herramientas nuevas y poderosas a nuestra disposición para hacer posibles cosas nuevas”.

Rassey y sus colegas desarrollaron un sistema operativo patentado que impulsa análisis en tiempo real y organiza el diseño, la producción y el cumplimiento global para sus diversos clientes.

“No nos consideramos una oficina de servicios”, explica Rassey, un ingeniero mecánico que trabajó anteriormente en Chrysler. “Somos un socio de fabricación de nivel industrial que ayuda a las empresas durante todo el ciclo de vida del producto. Les ayudamos a descubrir aplicaciones de fabricación aditiva que tengan sentido para su negocio.

"La fabricación aditiva ya ha cruzado el punto de inflexión", afirma Rassey. “Ha pasado de ser una herramienta de creación de prototipos de bajo volumen a un proceso de gran volumen que puede producir en masa piezas de un calibre que pueden atornillarse a un avión o colocarse debajo del capó de un automóvil.

"La calidad y fiabilidad de los materiales ahora cumplen con muchas de las especificaciones requeridas", añade Rassey. “Además, la economía de la fabricación aditiva tiene sentido hoy en día. Ahora está rivalizando o superando la economía de los métodos de producción heredados”.

Según Rassey, la fabricación aditiva forma parte de un conjunto más amplio de innovaciones que se incluyen en el marco de la Industria 4.0, como el análisis de datos, el diseño digital y la simulación.

"La fabricación aditiva aporta un valor tangible a las empresas, como la capacidad de fabricar piezas con formas y geometrías complejas", afirma Rassey. “Permite la personalización y la producción en lotes pequeños de una manera mucho más económica que los métodos tradicionales.

"También existe una velocidad de innovación", señala Rassey. “Las empresas pueden fabricar piezas el mismo día y lanzar productos al mercado más rápido. No es necesario esperar semanas para fabricar piezas moldeadas por inyección.

"Además, las empresas no necesitan almacenar piezas físicas ni mantener grandes cantidades de inventario", señala Rassey. “Pueden almacenar piezas virtualmente en la nube y producirlas según demanda, cuando y donde se necesiten. Eso puede tener un impacto dramático en el costo y la eficiencia de la cadena de suministro”.

Fast Radius formó recientemente una asociación estratégica con UPS que permite que la fabricación aditiva "desbloquee la cuarta modalidad de logística", dice Rassey. “Además de mover piezas por tierra, aire y mar, ahora tenemos un cuarto modo de transporte que puede mover piezas por todo el mundo a través de Internet. Esto permite a las empresas almacenar inventario virtual que complementa el inventario físico tradicional”.

Un sistema operativo avanzado permite a Fast Radius recopilar y analizar datos en cada paso del proceso de fabricación, incluidas las materias primas, la formulación, las condiciones ambientales, la configuración de la máquina y los parámetros de fabricación de piezas. También captura datos posteriores relacionados con el posprocesamiento y la inspección de piezas.

"Creamos un hilo digital que nos permite obtener información sobre las causas de la variabilidad y mejorar continuamente cada pieza que fabricamos", señala Rassey. “El sistema operativo también permite flexibilidad en la fábrica, como requisitos de programación y personal.

"Al reunir un conjunto de tecnologías de Industria 4.0, hemos podido crear un negocio que es eficiente en términos de capital y puede crecer a medida que crece la demanda", afirma Rassey. “Ese es un elemento apasionante del nuevo mundo de fabricación digital actual. Es una huella mucho más ágil que en el pasado. Las fábricas ahora pueden ser extremadamente flexibles y agregar capacidad fácilmente según sea necesario”.

Otra empresa a la vanguardia de la Industria 4.0 es Phoenix Contact, un fabricante líder de disyuntores, conectores, carcasas para electrónica modular, acondicionadores de señal, protectores contra sobretensiones, bloques de terminales y otros componentes industriales y productos de interconexión.

Los equipos de moldeo por inyección de plástico se utilizan para producir piezas complejas que deben estar listas en plazos cada vez más cortos debido a la naturaleza cada vez más personalizada de los productos finales. Para afrontar ese desafío, la planta principal de Phoenix Contact en Blomberg, Alemania, es líder en la aplicación de tecnología de vanguardia, como los gemelos digitales. Al crear copias digitales de las especificaciones de cada cliente, el tiempo de producción se ha reducido en un 30 por ciento.

Los módulos de entrada y salida Axioline de la empresa se producen en lotes de uno mediante un proceso totalmente automatizado. Con un número cada vez mayor de variantes, Phoenix Contact apuesta por la tecnología Industria 4.0 para fabricar estos módulos de forma económica.

"Los sistemas mecatrónicos inteligentes se comunican entre diferentes lugares y en toda la empresa a través de infraestructuras de red", afirma Anja Moldehn, directora senior de proyectos para Industria 4.0 en Phoenix Contact. “Para esta red de comunicación basada en Ethernet e Internet sólo se utilizan interfaces estandarizadas y abiertas. Proporciona la base para procesos de producción flexibles y que se optimizan automáticamente.

"En cuanto el material se encuentra en el portapiezas, se establece una conexión con el sistema superior a través de una etiqueta RFID", explica Moldehn. “El sistema de circulación, que puede ampliarse según se desee, permite la interconexión flexible de todos los recursos de producción imaginables para formar un único sistema de fabricación.

"Los puestos de trabajo, las máquinas de montaje y las células de prueba necesarias para el proceso de fabricación se pueden conectar fácilmente", señala Moldehn. “Esto requiere interfaces uniformes, así como un control autónomo de los procesos básicos. Permite la producción simultánea de diferentes variantes.

"El comportamiento adaptativo fortalece la producción para hacer frente a cualquier tipo de perturbación y proporciona flexibilidad para lograr la máxima eficiencia", afirma Moldehn. “No hay un controlador central; en cambio, hay colaboración inteligente. Los controladores distribuidos se adaptan de forma independiente a los procesos, equipos y dispositivos”.

Gracias a la tecnología Industria 4.0, los procesos de producción complejos son más fáciles de gestionar y optimizar. De este modo, Phoenix Contact ahora puede producir lotes de un solo tamaño con el mismo coste económico que los procesos tradicionales de producción en masa.

"Las tecnologías de conexión innovadoras y los sistemas de instalación enchufables reducen los costes y los tiempos de montaje gracias a un cableado rápido y sin errores", añade Moldehn. “Para solucionar este problema, desarrollamos una tecnología de conexión push-in. Los conductores macizos o con puntera se pueden contactar directamente sin necesidad de herramientas.

"El perfil de resorte especial permite la inserción manual o automática de conductores con punteras a partir de 0,34 milímetros cuadrados", afirma Moldehn. “El resorte se abre fácilmente mediante el botón sin contacto directo con las partes bajo tensión.

"Esta conexión de conductores ahorra tiempo y agiliza el cableado", afirma Moldehn. "Las bajas fuerzas de inserción facilitan significativamente el cableado".

La fábrica de Schneider Electric en Le Vaudreuil, Francia, es el buque insignia de la empresa en tecnología Industria 4.0. La instalación de 44 años ensambla una amplia variedad de productos, incluidos variadores, arrancadores rápidos y contactos de plata de alta intensidad.

La planta sirve como escaparate de la tecnología EcoStruxure de Schneider Electric. EcoStruxure es una plataforma y arquitectura de sistema interoperable y abierta habilitada para IoT que combina un enfoque de tres capas de productos conectados, control de borde y aplicaciones, análisis y software.

Los ingenieros de Schneider Electric han implementado herramientas digitales como la realidad aumentada para capacitar a los operadores de la fábrica de Le Vaudreuil para obtener visibilidad de las operaciones, el mantenimiento y el uso de energía. La iniciativa ha ayudado a reducir los costos de mantenimiento en un 30 por ciento, al tiempo que ha aumentado la eficiencia general del equipo en un 7 por ciento. Los empleados diagnostican anomalías y averías de los equipos a través de tabletas móviles.

"Le Vaudreuil representa la fábrica del futuro para Schneider Electric", afirma Luke Durcan, director de EcoStruxure en Schneider Electric. "Aplica nuestro enfoque personalizado, sostenible y conectado, que integra años de metodologías lean, experiencia en procesos y personas con las tecnologías de vanguardia ahora disponibles a través de EcoStruxure".

La línea de producción de Le Vaudreuil ha sido automatizada al 100 por ciento. Utilizando la realidad aumentada, los operadores pueden analizar datos y abordar problemas, haciendo que las intervenciones sean más seguras y reduciendo el tiempo de diagnóstico. Los sensores permiten el mantenimiento predictivo y la ciberseguridad se ha mejorado mediante la adición de un depósito de datos.

"La transformación digital de Le Vaudreil nos ha hecho más sostenibles, más flexibles a la hora de satisfacer las demandas de los clientes, más estratégicos y más atractivos para la próxima generación de trabajadores", afirma Durcan.

La planta utiliza tecnología de punta para mejorar la productividad y agilizar las operaciones. Por ejemplo, un sistema de ejecución de fabricación conecta, recopila y modela varios sistemas y activos físicos.

"Esto nos proporciona información en tiempo real sobre el desempeño de la fábrica en todas las categorías, como calidad y seguridad", dice Durcan. "Permite el mantenimiento predictivo y optimiza el tiempo de actividad, al tiempo que garantiza que el equipo dure más".

"Gracias al software de gemelo digital, tenemos un modelo de realidad virtual 3D de toda la fábrica para probar y validar nuevas innovaciones, que luego se utiliza para capacitar a nuestros operadores para que vean cómo cambiará su trabajo diario". añade Durcán. “Poder confiar en un sistema digital común facilita el intercambio de conocimientos e impulsa la productividad.

"La combinación de vehículos guiados automatizados y nuestro sólido [sistema] de gestión eficiente ha optimizado el flujo de materiales en toda la instalación", señala Durcan. “Los robots colaborativos se han hecho cargo de tareas repetitivas, permitiendo a los operadores reasignar su tiempo y habilidades a tareas con mayor valor agregado.

"El análisis de datos avanzado permite a la fuerza laboral tomar mejores decisiones que impactan el negocio a mayor escala, lo que en última instancia ayuda a aumentar la satisfacción de los empleados", afirma Durcan. “Hoy en día, nuestro negocio requiere nuevas habilidades y la acogida de los empleados ha sido muy positiva gracias a la formación y a las oportunidades de trabajar de forma diferente.

"Las tecnologías como la realidad mixta y los gemelos digitales permiten a los trabajadores solucionar problemas o probar actualizaciones de maquinaria sin levantar un destornillador ni acercarse a maquinaria peligrosa", explica Durcan. “Estas pequeñas evoluciones ya están demostrando que con la digitalización podremos reducir el riesgo, ser más receptivos y trabajar de manera diferente a nivel de planta, mientras impulsamos una mayor rentabilidad y eficiencia a nivel organizacional.

"La infraestructura digital en la fabricación ha evolucionado a lo largo de varias décadas, pero ahora tenemos las herramientas para gestionar las estrategias de optimización de la fábrica a la escala y velocidad necesarias para adoptar un enfoque en tiempo real para la gestión de activos y la optimización de procesos", afirma Durcan. "El futuro de la fabricación es más conectado, eficiente y sostenible, con una fuerza laboral más empoderada y comprometida".

Chengdu, China, es una de las ciudades de más rápido crecimiento del mundo. También es la ubicación de una planta de última generación de Siemens Industrial Automation Products que produce PC industriales y controladores lógicos programables.

En las instalaciones de seis años de antigüedad, toda la actividad de producción se registra, monitorea, analiza y optimiza completamente por medios digitales. Desde 2013, la planta ha aumentado su productividad en un 20 por ciento anual. También cuenta con una calificación de calidad de proceso del 99,999 por ciento, con una variedad de estaciones de prueba detectando una cantidad muy pequeña de errores.

"[Hemos] implementado la automatización de la producción, la automatización del flujo de materiales y la automatización del flujo de información", dice Li Yong Li, gerente de planta. "[La planta] se ha convertido en un modelo a seguir para el futuro de la fabricación en términos de velocidad, flexibilidad, calidad, eficiencia y seguridad".

La fábrica de Chengdu es un clon de la planta insignia de Siemens en Amberg, Alemania.

"Hemos mapeado uno a uno los procesos desde la planta de Amberg hasta Chengdu", explica Gunter Beitinger, responsable del funcionamiento digital de ambas instalaciones. “Desde su maquinaria y herramientas de software hasta su sistema de ejecución de fabricación, que registra y controla cada aspecto del proceso de producción de principio a fin a nivel virtual, el equipo en Chengdu está diseñado con los mismos principios y procesos que el equipo en Amberg. fábrica.

"La receta del éxito en Alemania funciona igual en China", explica Beitinger. “Por ejemplo, si un robot está soldando un conjunto en una PCB, nuestros sistemas primero verifican si la pieza funciona correctamente antes de continuar.

"Comprobamos la calidad de cada paso del proceso y de cada componente y utilizamos para ello algoritmos inteligentes", afirma Beitinger. “El resultado es una estabilidad del proceso combinada con una alta calidad. Sin embargo, en muchas fábricas de China el control de calidad se realiza sólo al final del proceso de fabricación, lo que genera muchos residuos”.

Además de los altos niveles de automatización y control de calidad de las instalaciones de Chengdu, todos los procesos de producción se registran digitalmente. El software se alimenta con 10 millones de datos cada día. Se utiliza para gestionar los procesos de producción y garantizar la calidad. Los datos de producción regresan directamente a los procesos de fabricación a través del software PLM de fábrica digital.

"La tecnología de gemelos digitales es fundamental para este proceso", afirma Beitinger. “Estas representaciones virtuales de productos y procesos de producción [nos permiten] crear modelos holísticos de productos y sus ciclos de vida. Esto, a su vez, permite una optimización exhaustiva con respecto a factores clave como la velocidad, la flexibilidad, la calidad del producto y la seguridad de los datos”.