Fabricación en 2050:¿El mundo al revés?

Las poderosas tendencias llevarán la fabricación casi a la automatización completa para 2050, mientras que las personas que aún trabajan en la industria estarán capacitadas para innovar rápidamente como nunca antes.

Hace años Warren Bennis predijo que “La fábrica del futuro tendrá solo dos empleados, un hombre y un perro. El hombre estará allí para alimentar al perro. El perro estará allí para evitar que el hombre toque el equipo”.

Todavía no estamos allí. Pero una serie de tendencias poderosas e interconectadas nos acercarán a ese estado para 2050, mientras que las personas que aún se encuentran en la fabricación estarán facultadas para innovar y construir rápidamente como nunca antes.

Multitarea y Automatización

Es una apuesta segura que para 2050 la máquina herramienta promedio estará completamente automatizada y será más capaz. La multitarea será común, quizás casi universal. La tendencia está bien establecida.

Como observó el veterano de la industria Scott Walker, presidente de Mitsui Seiki USA (Franklin Lakes, NJ):“A principios de la década de 2000, el mercado norteamericano de máquinas de cinco ejes era de 150. Hoy son 3000. Las máquinas también combinan esmerilado y fresado, o deposición y fresado de metal por láser, o esmerilado y endurecimiento por trabajo”. Agregó que si bien el beneficio es la capacidad de lograr más dentro del entorno de trabajo, la "pesadilla" ha sido lograr que todas estas funciones funcionen de manera adecuada y consistente. “Pero eso cambiará a medida que la tecnología, el monitoreo y el software mejoren”.

El elefante en la habitación para muchos fabricantes es hasta qué punto la impresión 3D alterará la combinación de tecnologías y, más allá de eso, sus implicaciones para el diseño de productos y una serie de otros problemas. Hasta ahora, las limitaciones de velocidad y los altos costos de las materias primas de la fabricación aditiva han limitado severamente su viabilidad más allá de la creación de prototipos. Pero Terry Wohlers, consultor principal y presidente de Wohlers Associates (Fort Collins, CO), dijo que la velocidad "no será un enemigo" para 2050.

Tomemos un sistema de lecho de polvo:la mayor parte del tiempo de producción se dedica a rastrear la superficie con el láser para fusionar el material. “Pero los sistemas ahora están disponibles con muchos láseres que funcionan simultáneamente en una plataforma de construcción”, dijo Wohlers. “La energía de un haz de electrones se puede dividir en hasta 100 haces para ayudar a acelerar el proceso”. Por otro lado, estos enfoques requieren mucha energía, lo cual es costoso. Wohlers cree que superaremos esas limitaciones, tal vez "aprovechando la energía del sol directamente para derretir el material, en lugar de enchufarlo a un tomacorriente 440".

Wohlers agregó que la deposición de energía dirigida es intrínsecamente más rápida que el método de lecho de polvo para construir componentes metálicos, pero “los usuarios están limitados en los objetos que pueden crear y existe una compensación en la resolución, que generalmente requiere mecanizado y, a veces, una cantidad significativa. ” Esto nos lleva de vuelta a los sistemas híbridos que combinan fresado aditivo con CNC. Al igual que Walker, Wohlers cree que los problemas para lograr que estos dos enfoques funcionen en armonía se resolverán en gran medida en los próximos 32 años.

Otro factor que aboga por un mayor uso de las técnicas aditivas es una caída esperada en los costos de los materiales y una gama más amplia para elegir. "Las máquinas de hoy funcionan con solo unas pocas docenas de termoplásticos, por ejemplo", dijo Wohlers, "pero hay miles disponibles para la fabricación convencional".

Quizás lo más importante es que los polímeros que se utilizan actualmente en la impresión 3D cuestan hasta 50 veces más que los polímeros similares para la fabricación convencional. Eso pone el punto de equilibrio en cientos a miles de unidades dependiendo del tamaño de la pieza. Pero Wohlers dijo que muchas de las patentes de máquinas que producen piezas con polímeros han expirado, lo que lleva a nuevas máquinas que utilizan materiales de menor costo. "El punto de equilibrio mejorará drásticamente, por lo que el aditivo desafiará el moldeo por inyección para una gama mucho más amplia de productos, incluidas aplicaciones de mayor volumen".

Se puede hacer un caso similar para el metal, pero Walker, por su parte, se muestra escéptico de que los aditivos logren un perfil de costo en los metales que justifique reemplazar los métodos tradicionales. “Es mucho más fácil calentar 60 toneladas y enrollar láminas de metal que construir algo con metal en polvo o revestimiento”, dijo Walker. “Veo el aditivo como una función que se puede poner en el sobre de una máquina para agregar valor al proceso. Pero no veo a los aditivos como un proceso de reemplazo para fabricar acero, a menos que la tecnología cambie y lleguemos al punto de la manipulación molecular utilizando un tipo diferente de fuente de energía”.

A la fabricación aditiva le queda un as, al menos para algunos jugadores:la capacidad de crear formas que de otro modo serían imposibles. Esto no solo abre el potencial para nuevos productos y características, sino que también ayuda a aliviar el problema de velocidad de la impresión 3D. Esto se debe a que una estructura de celosía abierta que es posible gracias a la impresión 3D puede lograr la resistencia y la rigidez necesarias para muchas aplicaciones con mucho menos material que una estructura sólida. Y la velocidad de producción de la impresión 3D es directamente proporcional al volumen cúbico de material. Las nuevas estructuras extrañas se superponen muy bien con nuestro próximo tema.

Diseño creativo y automatizado

En opinión de Walker, la fabricación está preparada para lograr sus mayores ganancias de productividad en dos áreas, una de las cuales es la digitalización de todo el trabajo necesario para preparar un proceso de fabricación. “Hoy en día, un diseñador comienza con un modelo digital y luego genera una ruta de herramienta... luego alguien diseña un accesorio... luego obtiene una forja... luego un ingeniero de aplicaciones alimenta el programa por goteo a la máquina y va herramienta por herramienta y monitorea cómo corta los sonidos y cómo se ve... y eventualmente consigue que la máquina haga la pieza... y luego refina todos los movimientos para poder reducir el tiempo del ciclo”. En realidad, es aún peor porque obtener el diseño inicial también es engorroso. Afortunadamente, muchas mentes brillantes están trabajando arduamente para facilitar y acelerar cada parte de este proceso.

Al principio, la tecnología de diseño generativo está ayudando a un grupo cada vez más amplio de creativos a explorar rápidamente nuevas posibilidades geométricas. En el caso de Fashion 360 de Autodesk (San Rafael, CA), el software se ejecuta en la nube y utiliza el aprendizaje automático y la inteligencia artificial (IA) para generar automáticamente cientos de diseños que satisfacen los criterios del diseñador en cuanto a fuerza, costo y método de fabricación. , material y así sucesivamente. Además, explicó Bob Yancey, director de estrategia de fabricación y producción de Autodesk, los diseños "no son solo una geometría idealizada imposible de usar, son modelos CAD reales que pueden manipularse aún más en el software CAD".

También son a lo que Yancey se refiere como "conscientes de la fabricación", lo que significa que comenzaron con los métodos de fabricación deseados incorporados como una restricción desde el principio. “Entonces, si especifica que la pieza debe poder mecanizarse en un CNC de cinco ejes, todas sus opciones de diseño se ajustarán a esa restricción”, dijo.

No elimina la necesidad de un diseñador humano. Como dijo Yancey, “Describir el desafío del diseño con precisión y experiencia es una habilidad de ingeniería que no desaparecerá. Lo que hace el software de diseño generativo es brindarle más opciones de diseño de las que cualquier ser humano podría concebir por sí mismo, por lo que tiene una mayor confianza de que está considerando muchas más opciones y obteniendo mejores resultados. Vemos esto como un futuro de co-creación entre ingeniero y computadora, o inteligencia humana e inteligencia artificial”.

Quizás más profundo, los diseños son a menudo sorprendentes y superiores a lo que un humano hubiera imaginado. Como dijo Diego Tamburini, principal líder de la industria—Manufacturing Industry Communities / Cloud + AI Division for Microsoft (Redmond, WA):“Si me siento frente a mi herramienta CAD para diseñar una pieza, ya tengo 1,000 ideas preconcebidas sobre cómo debería hacerlo. aspecto basado en siglos de diseños anteriores. AI no tiene tales nociones. Y aunque estoy de acuerdo en que la automatización del diseño es un problema difícil y es difícil imaginar una computadora que diseñe elementos complejos, tenemos que reconocer que, por el contrario, hay muchos casos en los que vivimos con diseños humanos subóptimos".

Algunas de nuestras ideas preconcebidas provienen de nuestra experiencia con materias primas que se limitan a bloques, barras y láminas. Pero la impresión 3D no se limita a esas materias primas. Tampoco está limitado en las formas que puede crear.

Si elimina esas restricciones y deja que la IA funcione, el diseño generativo a menudo crea formas que son "completamente diferentes de lo que estamos acostumbrados". Más orgánicos, como huesos de animales”, dijo Tamburini.
Wohlers se hizo eco de esto y dijo que la naturaleza ofrece excelentes ejemplos de estructuras con notables relaciones fuerza-peso. Hasta hace poco, las impresoras 3D producían estructuras reticulares, de malla o celulares definidas por programas enlatados con poca comprensión de sus propiedades de resistencia. “Las herramientas de optimización de topología más nuevas pueden producir estructuras de malla y celosía diseñadas con certeza de resistencia”, dijo Wohlers. "En el futuro, podríamos ver estructuras súper livianas en diferentes aleaciones metálicas que son más livianas que los compuestos de fibra de carbono, cuya producción lleva mucho tiempo y es costosa".

Tamburini dijo que ha visto casos en los que la computadora presenta una forma enrejada que no inspira confianza en el ser humano (se ve demasiado liviana y endeble), por lo que el diseñador la cubre con algo para que se vea más resistente. Después de todo, las personas siguen siendo personas.

Aceleración del proceso

Krisztina “Z” Holly, fundadora e impulsora principal de Make It In LA (Los Ángeles) subrayó el beneficio de combinar un software cada vez más inteligente con la impresión 3D y otras tecnologías nuevas (como la realidad virtual) para acelerar en gran medida el ciclo iterativo de desarrollo de productos. Además de la capacidad de obtener más comentarios del consumidor en una etapa más temprana del proceso, lo que puede conducir a productos mucho mejores, señaló que las nuevas herramientas democratizan el proceso de diseño y construcción.

“¿Qué significa eso en términos de cómo innovamos y quién innova? Creo que el mundo será un lugar diferente si permitimos que personas que no son ingenieros diseñen el tipo de productos que quieren”, dijo. “También será más fácil para los empresarios iniciar un negocio de manufactura. ¿Qué tipos de productos estarán disponibles si las personas pueden iniciar un negocio de productos físicos con la misma facilidad con la que pueden iniciar un negocio de productos digitales?”

Un resultado que ella imagina:“Dos conjuntos de habilidades se vuelven increíblemente valiosos. Uno son las habilidades tecnológicas profundas para codificar estos sistemas y comprender el meollo de lo que funciona y lo que no”. El otro es la comprensión empática de las necesidades del cliente y las oportunidades del mercado.

¿Qué habilidades se vuelven menos críticas? En realidad haciendo funcionar las máquinas. El proceso desde el diseño hasta CAM estará más o menos automatizado. Como explicó Walker, si el modelo de diseño incluía información sobre el material (como se está convirtiendo en estándar), la máquina debería “tener la inteligencia para hacer el resto. Saque las herramientas correctas de un estante de 8000 herramientas y siga las trayectorias correctas a las velocidades apropiadas. La máquina debe tener las capacidades de monitoreo visual y auditivo para evitar colisiones y también medir las condiciones de corte y ajustar las velocidades y los avances en consecuencia. Eso es lo que hacen hoy los ingenieros de aplicaciones. ¿Cuántos necesitaremos en 30 años? Esperemos que ninguno.”

Habiendo dicho eso, Holly advirtió contra un enfoque únicamente en los trabajos. En primer lugar, habrá puestos de trabajo, simplemente puestos de trabajo diferentes y más creativos. Y segundo, “Lo importante es mantener la innovación local”, dijo. “Hay muchos aspectos negativos de enviar el diseño y la fabricación al extranjero. Pierdes el control de la propiedad intelectual. No es bueno para el medio ambiente. Y pierdes de vista lo que es posible a menos que tengas tus manos en la fabricación misma”.

Construido a pedido... localmente

Todo el mundo parece estar de acuerdo en que la fabricación se volverá mucho más dispersa geográficamente, un proceso que se verá favorecido en gran medida por las capacidades multiplicadoras de las máquinas herramienta individuales. Yancey dijo que muchos fabricantes quieren disminuir el riesgo y hacer que los productos estén más cerca del cliente para adaptarlos mejor al mercado.

Walker estuvo de acuerdo y también predijo que los costos de transporte y los impactos ambientales impulsarán a las empresas a producir localmente. Agregó que también existen compensaciones ordenadas por el gobierno, en las que un fabricante debe producir una cierta cantidad de piezas en un país para poder vender productos en ese país. Otro motivador es mantener la rentabilidad a pesar de las fluctuaciones de las monedas, un problema que se ve agravado por la reducción de los márgenes.

Al mismo tiempo, habrá un grado mucho mayor de personalización y una cadena de suministro mucho más estrecha. Como resumió Tamburini:“La práctica de pronosticar la demanda y producir piezas en masa para satisfacer la demanda esperada se pondrá patas arriba. Estará más cerca de que el cliente le diga al fabricante exactamente lo que quiere y que el fabricante lo fabrique en ese momento y solo entonces. La digitalización y la automatización están haciendo que este sueño sea más factible desde el punto de vista técnico e incluso económico”.

Esto no se aplicaría a todos los productos, y las líneas entre estandarización, adaptación y personalización son borrosas. Pero Tamburini está seguro de que la práctica de personalizar productos a través de una lista de opciones predefinidas crecerá exponencialmente. Algunos productos, como las prótesis y la ropa, pueden personalizarse por completo. Asimismo, la mayoría de los fabricantes serán oficinas de servicios generalizados y no especialistas. Las máquinas construirán lo que venga a través de la nube, bajo demanda.

Como dijo Walker:“Hoy en día, una empresa necesita un contrato de tres a cinco años para fabricar un componente porque el costo de comprar, programar y equipar una máquina para fabricar la pieza de manera consistente y precisa es enorme”. Haga que las máquinas sean automatizadas y multifuncionales y elimine gran parte del esfuerzo de configuración y la fabricación se convierta en un negocio más ágil y quizás con un margen más bajo. Como diría Holly de Make It in LA, el proceso de diseño y las herramientas e interfaces de diseño se vuelven aún más importantes.

Mantener las cosas en marcha

El aumento de la digitalización, la "hiperconectividad" y la IA deberían mejorar en gran medida nuestra capacidad para mantener la producción en funcionamiento con un mínimo de mano de obra y tiempo de inactividad. Tamburini dijo que la mayoría de los datos que ahora se recopilan se usan para monitorear lo que sucede en la fábrica y en toda la cadena de suministro. “Pero comenzamos a preguntarnos por qué suceden ciertas cosas y usamos la IA para predecir lo que sucederá. La siguiente fase de este proceso es utilizar la IA y el aprendizaje automático para permitir respuestas autónomas”.

En otras palabras, con suficientes datos para analizar, el aprendizaje automático puede predecir con precisión fallas de piezas específicas. Con buenos algoritmos de decisión y conocimiento sobre todas las demandas de producción en el taller, el sistema también puede decidir por sí mismo qué hacer con la falla pendiente:pedir la pieza, programar el tiempo de inactividad, mover ciertos trabajos a máquinas alternativas, etc. Incluso se podría imaginar una máquina que se repare sola o pedirle al robot que pueda hacerlo, aunque Walker dijo que no cree que alguna vez nos libraremos de la necesidad de técnicos de mantenimiento humanos. Sin embargo, él cree que las máquinas se comunicarán de forma audible sobre lo que se debe hacer, sin necesidad de dispositivos portátiles o pantallas y controles.

Tamburini dijo que Microsoft tiene un producto montado en la cabeza (HoloLens) que le permite interactuar con hologramas a su alrededor. “It overlays digital info on top of reality, giving you super powers, in a sense. People are finding that augmented reality can be used to do things like provide assembly instructions, or QC instructions, or maintenance instructions, thus reducing the need for training.” For example, a remote maintenance expert can assist a local technician by pointing to a part or indicating how to move a part, as if they are both looking at the same thing in the same shop together.

Finally, Tamburini pointed out that one of the beauties of machine learning is that “the moment they get better, that capability or knowledge can be instantaneously broadcast to the entire world, because it’s just software. So everybody gets smarter and better, assuming we can share data.” He contrasted this with relying on an expert in the plant who uses his own years of experience to interpret the sounds of the machines and the like. “It’s very challenging to distribute that kind of knowledge.”

What Won’t Change

To the extent it came up at all, the experts don’t seem to think that manufacturing precision will advance much in the next 30 years. “We’re working at tolerances now where the metrology to determine the accuracy is the bigger problem,” as Walker put it. “The next step to getting better tolerances would be molecular manipulation,” (which no one envisioned). No one seemed to think that machining speed would be significantly faster either. Even the improvement to 3D printing speeds discussed earlier will be more evolutionary than revolutionary—not as significant as the increase in productivity due to software improvements. Likewise, our current ability to produce tiny components is already amazing. Wohlers referred to miniaturization as “partly a solution looking for a problem. One of the few applications are tiny sensors embedded within 3D printed parts.”

If you’re worried about the changes, Walker might comfort you with this thought:“We’ve been tweaking manufacturing since the 1780s. The next 30 years will be more tweaking, unless we come up with something truly revolutionary.” He asked me if anyone said they’d figured out how to manipulate gravity so we could fly to the moon without burning fossil fuels, knowing the answer. Come to think of it, no one mentioned the dog who kept the man from making changes to the machine, either.