Gestión digital de herramientas: Soluciones unificadas y centradas en el cliente para la manufactura moderna

El enfoque en la digitalización en diseño y mecanizado ha resaltado la importancia y ventajas de sistemas más sofisticados de gestión digital de herramientas (DTM). Si bien esto ha generado un gran grado de diferenciación, y cierta confusión respecto a una definición de sistema generalmente aceptada, ha resultado en la evolución de objetivos y capacidades que son tanto más completas como más centradas en el cliente.

Mientras que muchos desarrollos anteriores en manufactura involucrando tanto hardware como software fueron marcados por rivalidades corporativas entre constructores y desarrolladores que obstaculizaron el proceso, los avances en sistemas de gestión de herramientas han sido mucho más cooperativos y, por tanto, más rápidos y efectivos.

Entre los impulsores que impactan el desarrollo de DTM están: la necesidad de gestión de herramientas en sistemas automatizados y cada vez más en producción de piezas complejas de lotes pequeños a medianos a nivel de taller de trabajo; el establecimiento de estándares como ISO 13399; programas cooperativos como MTConnect y varios subprogramas bajo el paraguas de Industry 4.0; y la demanda del cliente de sistemas que ofrecen mayor eficiencia, más flexibilidad y, cuando es necesario, relaciones con múltiples proveedores.

Actualmente, las ofertas de sistemas van desde módulos individuales que realizan funciones limitadas hasta paquetes generales que se extienden desde la estación CAM hasta la planta. Corsin Buerer, líder de inicio, gestión de datos de manufactura en Siemens PLM Software (Plano, TX), declaró: "Vemos DTM como un componente clave del sistema de información total, incluyendo software para organizar los diversos aspectos de requisitos de herramientas, la capacidad de responder a las necesidades de automatización y una capacidad para integrar herramientas en la función CAM. Por supuesto, debido a la gama de clientes a los que servimos, tenemos que ser capaces de ofrecer una amplia selección de configuraciones que se adapten a necesidades individuales de fabricantes".

Alexander Zoller, presidente de Zoller Inc. (Ann Arbor, MI), visualiza el sistema DTM como un "gemelo digital" para todos los procesos de manufactura relevantes. "Nuestro sistema incluye una biblioteca de herramientas gemela digital, así como información funcional completa de mecanizado/herramientas, que incluye la máquina, el portaherramientas, la especificación de herramienta, geometría y cualquier otro dato requerido a lo largo del proceso. La información tiene que estar disponible para todos, desde el programador CAM hasta la gerencia de producción".

Al evaluar las características que serán cruciales para nuevos sistemas DTM, Jeff Rizzie, director, ventas de mecanizado digital, Américas, para Sandvik Coromant (Fair Lawn, NJ), toma una perspectiva amplia. "Si bien muchos fabricantes típicamente comienzan con un sistema básico min/max para reponer herramientas, vemos el desarrollo de sistemas de función completa como esencial para el futuro. En la construcción de estos sistemas, nuestro objetivo principal es ofrecer mejores formas de proporcionar datos basados en cómo esa información será consumida por el cliente".

La sensibilidad al cliente es crítica para el proceso. "Nuestras ofertas incluyen integración completa de toda la información y procesos relacionados con el proceso de manufactura", dijo Gregg Bigleman, director, Norteamérica, para TDM Systems (Schaumburg, IL). "Esto permitirá a las empresas transicionar más fácilmente a producción inteligente vinculada digitalmente. El elemento crítico es que todo proviene de una base de datos de fuente única".

La disponibilidad de datos de herramientas también se ve como esencial por Tyler Martin, técnico STEP en Seco Tools LLC (Troy, MI). "La fácil disponibilidad de datos es crítica. Hacemos nuestra información de herramientas disponible a través de módulos que pueden descargarse de la nube. Nuestro cumplimiento con ISO 13399 asegura a los clientes que la información correcta estará allí cuando la necesiten y [sea] fácil de entender".

Walter AG (Tübingen, Alemania) fue un defensor temprano de sistemas de gestión de herramientas y hoy ofrece capacidad de servicio completo a clientes más grandes. Florian Böpple, gerente de manufactura digital, comentó: "Nuestros primeros esfuerzos en gestión de herramientas incluyeron máquinas expendedoras. Hoy, nuestros sistemas logísticos nos permiten asociarnos con una empresa integrando un paquete total que les permite descargar la función de gestión de herramientas. En el estado de expansión más alto, colocamos personas a tiempo completo en los clientes y compramos todas las herramientas —incluso algunas de competidores. Nos encargamos de preajuste, operación técnica y optimización en máquinas. Esto permite al fabricante concentrarse en su negocio principal y dejar la gestión de herramientas en manos de profesionales".

Como vehículo de respuesta, DTM evolucionará de una manera que combine avances en manufactura y la visión de empresas de herramientas involucradas. Como Alexander Zoller lo dijo sucintamente, "Funcionalmente, habrá un nuevo sistema cada año".

Bigleman de TDM Systems enfatizó la necesidad de "conectar múltiples instalaciones en cualquier parte del mundo", lo que proporcionará eficiencias continuas. En Siemens, Buerer, gerente senior de marketing de producto, enfatizó la progresión lógica de DTM desde sus inicios: "Hemos pasado del desarrollo de una biblioteca digital de herramientas a sistemas dedicados a gestión física de herramientas. Esto incluiría tanto la ubicación de cualquier herramienta dentro del proceso de manufactura como herramientas en inventario, porque esto plantea desafíos continuos en un entorno de producción en curso".

Rizzie de Sandvik Coromant también citó el camino de desarrollo del sistema. "Históricamente, los sistemas de gestión de herramientas se basaban en cálculos estáticos de inventarios de herramientas y actualizaciones correspondientes. En el entorno moderno, esto es obsoleto y tenemos que movernos a tendencias dinámicas de datos en tiempo real, incluyendo estado en máquina. En efecto, nos estamos moviendo de sistemas discretos a interactivos".

Walter está trabajando hacia un concepto multi-canal a través del uso de "cabinas" de gestión de herramientas. Böpple explicó: "Una cabina desarrollará un reporte para la gerencia sobre economías a lo largo del tiempo para definir ahorros definitivos en el proceso general estableciendo una línea base de rendimiento. Claramente, no depende del cliente conocer los datos logísticos de herramientas. Al incorporar nuestra experiencia, podemos proporcionar información más significativa y efectiva, especialmente cuando se trata del proceso de mecanizado. Una cabina adicional nos proporcionará a Walter los datos de rendimiento que nos permitirán mejorar el rendimiento de la herramienta".

Entradas y demandas del cliente

Factores significativos en la mejora de sistemas de gestión digital de herramientas son las entradas y demandas del cliente. La síntesis resultante de necesidades del cliente y experiencia de fabricantes de herramientas está emergiendo como quizás el contribuyente más significativo para expandir las capacidades más estándar de sistemas DTM.

Martin de Seco Tools citó la solicitud de bibliotecas de datos de herramientas mejoradas aplicables a sistemas CAM. "La capacidad CAM será absolutamente necesaria para que los sistemas de gestión de herramientas alcancen su máximo potencial".

Dijo Zoller: "Los clientes comienzan mirando el panorama general, luego nos piden trabajar con ellos en el desarrollo de soluciones específicas. Por ejemplo, generalmente hay un desperdicio percibido en tiempo gastado buscando herramientas particulares. Al introducir controles adecuados, podemos resolver ese problema. También estamos viendo otras solicitudes para aplicaciones 3D, así como capacidades móviles que pueden comunicarse vía teléfono celular y tableta".

El nuevo cliente considerando instalación DTM trae varias demandas, que pueden responderse de diversas maneras. Dijo Bigleman de TDM Systems: "Los clientes hoy siempre buscan expandir e incluir más de su proceso de manufactura en sistemas DTM. Así, el nuevo cliente potencial puede entrar al entorno de manufactura digital en cualquier parte del proceso mediante el uso de mejoras simples 'bolt-on'. Una vez que se han dado los pasos iniciales, es posible expandir río arriba o río abajo sin perder datos ni eficiencia".

Rizzie estuvo de acuerdo. "En Sandvik Coromant, estamos mirando hacia una plataforma de inicio que permita la conexión de aplicaciones adicionales. En este contexto, sin embargo, es necesario que el proveedor demuestre la manera en que cada nueva aplicación se suma a la corriente de valor".

Si bien la fase inicial de desarrollo de DTM ha sido en gran medida la provincia de OEMs mayores y fabricantes de herramientas correspondientemente grandes, la industria también está poblada por una multitud de empresas de herramientas más pequeñas, muchas de las cuales mantienen relaciones de ventas y asesoramiento con usuarios finales, especialmente talleres de trabajo y fabricantes más pequeños. El movimiento hacia la digitalización necesariamente plantea la pregunta de qué pasará con esos recursos.

Böpple de Walter ve una "sacudida" próxima debido tanto a la estandarización como a DTM. "Ha habido una lucha continua entre proveedores de bajo nivel y proveedores premium. Los del extremo inferior realmente no están motivados para moverse hacia sistemas en cualquier capacidad. Su mayor amenaza viene del hecho de que las herramientas, especialmente en el nivel de commodity, se están volviendo cada vez más similares".

Zoller visualiza un lugar para empresas más pequeñas, siempre que cumplan requisitos clave. "Las empresas más pequeñas tienen que volverse más eficientes. Vemos una oportunidad para ellas en cubrir la base de clientes más pequeña en asociación con firmas como la nuestra. De hecho, completan nuestro catálogo y base de datos".

Un número de empresas de servicios que llenan el vacío entre proveedores DTM mayores y fabricantes de herramientas pequeños también es probable que aumente. Según Buerer, "Las empresas que son serias sobre mantener su posición e incluso crecer podrán acceder a proveedores que pueden aumentar sus datos. Además, pequeños fabricantes que se especializan en ciertas disciplinas de herramientas, como fresado de roscas, también encontrarán un nicho y tendrán la ventaja añadida de asociarse con empresas mayores que proporcionan DTM".

Un factor significativo en la supervivencia y crecimiento de fabricantes de herramientas más pequeños es citado por Martin. "Estas empresas no solo pueden injertarse en sistemas existentes en forma de asociación, sino que gracias a la nube, su capacidad de servicio se volverá más extendida y eficiente".

Apoyo adicional para proveedores de herramientas más pequeños vendrá en forma de estrategias de plataforma abierta incorporadas por varios jugadores mayores. "Somos 'agnósticos de marca'", declaró Rizzie. "Cualquier herramienta puede conectarse dentro de nuestro sistema. Creo que todos los mayores eventualmente encontrarán que este es el caso gracias a programas generales como ISO 13399 y MTConnect".

El liderazgo en DTM mostrado por los mayores fabricantes de herramientas y sus clientes, así como sus filosofías operativas y características diferentes, plantea la cuestión de escalabilidad. El grado en que sistemas más completos pueden editarse a configuraciones más compactas, o modularizarse, depende en gran medida de sus objetivos inherentes y desarrollo original.

Böpple señaló el alto grado de diferenciación. "Los sistemas DTM más efectivos son por definición completos y, como tales, están menos disponibles para empresas más pequeñas. Esto continuará siendo el caso ya que las grandes empresas quieren sistemas capaces de implementación inmediata y que requieren no solo un plano extenso sino posiblemente modificaciones clave. Las empresas más pequeñas pueden implementar módulos de manera fragmentada, pero honestamente eso no es un sistema holístico".

Martin prevé que "a medida que más protocolos se vuelvan estándar, más aspectos de DTM estarán disponibles para operaciones más pequeñas". El hecho de que el sistema de Seco Tools se originara como una combinación de múltiples componentes derivados de una biblioteca de herramientas extensa y diversificada hace que los sistemas, en palabras de Buerer, "muy escalables".

Necesidad de un plan a largo plazo

Bigleman citó la importancia de un plan a largo plazo en el desarrollo de cualquier sistema. "Cada una de nuestras propuestas se desarrolla específicamente para el cliente individual basado en sus necesidades. Puede comenzar simple y tener un plan de implementación por fases o incorporar un enfoque general desde el inicio".

Rizzie toma un enfoque diferente y visualiza un camino flexible y multi-nivel whereby paquetes DTM de pequeño a mediano tamaño incorporando componentes estandarizados estarán disponibles para satisfacer necesidades de operaciones más pequeñas.

Una variedad creciente de sistemas, módulos y enfoques también plantea la cuestión de implementación, que puede ser un factor decisivo cuando se trata de la decisión de compra de un cliente. Böpple cita la importancia de planificación integral para el éxito de DTM. "Aconsejamos a nuestros clientes que imaginen dónde quieren estar —y eso va mucho más allá de la gestión de herramientas. Del plan general, derivamos una estrategia, luego elegimos e incorporamos los mejores socios e implementamos la solución. Advertimos a nuestros clientes que no tengan miedo de hacer cambios o de sentirse abrumados por exceso de datos. Los resultados son infinitamente preferibles a la confusión".

Martin recomienda incorporar todo el sistema de una vez: "Esto tiene sentido no solo desde un punto de vista operativo sino financiero. Al optar por un costo único, el cliente evita complementos y extras no anticipados".

"Un enfoque cauteloso respecto a una fuerte participación interna por parte del cliente es obligatorio", declaró Zoller. "Es más importante poner un equipo en su lugar. Esto no solo ahorra tiempo sino que permite a las personas más familiarizadas con los procesos tomar una vista interna. Luego, priorizar áreas clave e implementar en etapas".

Buerer aboga por un cambio de paradigma para grandes empresas y una estrategia "comenzar y luego expandir" para las más pequeñas. "El éxito de un sistema grande depende en gran medida de la preparación y capacitación, y la gente encuentra mucho más lógico comprender el concepto completo de una vez. Donde esto no es financieramente u operacionalmente posible, recomendamos comenzar con un departamento o conjunto de máquinas particular, aprender sobre el sistema y definir el resultado eventual deseado, y luego expandirse desde allí".

Influencia de Industry 4.0

Está claro que las iniciativas Industry 4.0 son una fuerza primaria detrás de la adopción de DTM. La velocidad y extensión con la que se implementa varía dependiendo de la urgencia del usuario para conformarse a los protocolos.

Cuando se trata de expansión, Buerer ve la necesidad de sistemas que vayan más allá de solo las herramientas. "Si las empresas desean aumentar la capacidad de automatización, deben suscribirse a la necesidad de DTM. Además, los sistemas digitales no pueden detenerse en herramientas sino que también deben incluir gestión de fijaciones y calibres".

Zoller ve DTM como "exactamente un ajuste en iniciativas 4.0. La única forma efectiva de utilizar todos los recursos es a través de un sistema compartido. Esto promueve la eficiencia que afecta positivamente el balance —los gastos están impulsando la sala de herramientas de hoy y nos estamos moviendo hacia una sala de herramientas robótica totalmente automatizada".

Según Martin, "El sistema de manufactura totalmente digitalizado debe ser necesariamente holístico en naturaleza. DTM es una parte crítica de la mezcla. Los suscriptores son serios sobre Industry 4.0".

Rizzie señaló: "En el corazón de Industry 4.0 está el concepto de conectividad. La gestión de herramientas debe estar interconectada para proporcionar los datos dinámicos que registran y en última instancia impactarán todo desde ciclos optimizados hasta vida de herramienta".

Si bien hay acuerdo general en la necesidad de DTM, las interpretaciones diferentes de cómo tales sistemas deberían construirse e implementarse y qué deberían incluir naturalmente llevan a una visualización de dónde estarán tales protocolos en el futuro cercano a mediano. Un factor adicional involucra las formas en que el sistema abarcará o se ajustará a nuevos métodos, materiales y tecnologías no tradicionales.

Bigleman prevé una revolución en comunicaciones: "En el corto plazo, no puede haber más 'silos'. La comunicación debe ser clara y la industria necesita abrazar la idea de comunicaciones transparentes en todos los procesos, sistemas y departamentos. A medida que emergen nuevas tecnologías, los proveedores desarrollarán el software y hardware que los conecta a todos".

Zoller prevé "un desarrollo continuo de sistemas DTM que naturalmente abrazarán nuevos materiales y tecnología, especialmente en relación con la capacidad de los clientes para fabricar sus propias herramientas".

Böpple cree que el liderazgo a corto plazo en Industry 4.0 en la industria de corte de metal será proporcionado por OEMs mayores y empresas de herramientas y apuntará a optimización de herramientas como objetivo principal. "El fabricante de herramientas debe asistir en el flujo de proceso, desde CAM, planificación, adquisición y aplicación. Esto hará más fácil encontrar la mejor herramienta más eficientemente —incluso si eso implica una búsqueda global de productos como la proporcionamos a través del uso de GPS".

Con respecto a nuevas tecnologías, prevé más impresión de piezas de trabajo, especialmente en industrias automotriz y aeroespacial, con énfasis en peso más ligero y estructura de metal mejorada. Sin embargo, las herramientas convencionales continuarán siendo requeridas.

"A medida que algunos clientes desarrollen la capacidad de crear sus propias piezas semi-terminadas, deben al mismo tiempo determinar qué métodos y herramientas se usarán en el proceso de acabado", dijo Böpple. "Para la mayoría de los clientes, eso seguirá aplicando también para el proceso de desbaste, especialmente ya que la complejidad del mecanizado sigue aumentando debido a nuevos materiales y aleaciones. Tal tarea requiere experiencia y conocimiento extensos, y con muchos expertos alcanzando edad de jubilación, será crucial capacitar nuevas personas".

Según Buerer, "A corto plazo, los sistemas DTM serán llamados a proporcionar más datos 3D, así como capacidades de simulación. Gran parte de los datos 3D tendrán que venir de fabricantes de herramientas que trabajarán con clientes para optimizar avances y velocidades, minimizar inventario y abrir la puerta a mayor retroalimentación de herramientas y procesos de mecanizado".

Un énfasis aumentado en creación y/o recuperación rápida de datos es clave, según Martin. En cuanto a nuevas tecnologías, cree que "dado que el costo de entrada es muy alto, incorporar manufactura aditiva avanzada no será económicamente factible para la mayoría de los clientes. Dada la entrada requerida en términos de hardware, software y personas, el desarrollo de herramientas altamente especializadas se haría mejor en asociación con fabricantes de herramientas".

Rizzie observó que la conectividad en todos los niveles será el empuje principal de DTM en el corto a mediano plazo. "La conectividad acelerada, en un número de casos, definirá la necesidad de herramientas especializadas, que en algunas instancias requieren impresión. El factor crucial aquí involucra el desarrollo de materiales que puedan entregar los mejores resultados".

Las muchas direcciones divergentes en DTM indican que protocolos rígidos son inapropiados. En un entorno de manufactura dinámico caracterizado por diseños revolucionarios, materiales nuevos y en algunos casos personalizados, y métodos y máquinas inéditos hace poco tiempo, la definición tradicional de "herramienta" se ha ampliado. Asimismo, el uso optimizado de todas las entradas y activos en manufactura requiere sistemas que puedan acomodar tanto funciones interactivas como discretas. Como observó Rizzie, "Con lo digital, nos estamos moviendo de conocimiento tribal a conocimiento de sistema".

Aunque un segmento creciente de la comunidad manufacturera reconoce la necesidad e inevitabilidad de sistemas DTM, la comprensión de cómo esos protocolos serán definidos, implementados y finalmente utilizados varía ampliamente. Mientras que estándares incluyendo ISO 13399, Industry 4.0 y MTConnect han contribuido algún grado de estructura, mucho debate continúa sobre qué debería incluir el sistema (solo herramientas o herramientas, fijaciones y equipo auxiliar), quién debería ser responsable de la gestión continua del sistema (personal de instalación vs. fabricantes/proveedores de herramientas), hasta dónde debería extenderse funcionalmente DTM y qué departamentos deberían incluirse (operaciones de manufactura, finanzas, gerencia), y cómo el sistema debería evolucionar de la implementación al futuro.

Lo que una vez podría haber sido imaginado como una versión más sofisticada de la sala de herramientas se complica aún más por la aceleración rápida en el desarrollo de tecnologías de manufactura y el desafío presentado por alternativas completamente nuevas, incluyendo manufactura aditiva y nanotecnología, que están difuminando la definición de qué constituye una herramienta.

De los muchos hilos de esta tecnología disruptiva, parece que los sistemas DTM serán necesariamente altamente personalizados y en continua evolución basados en factores incluyendo la naturaleza de piezas y materiales, el grado de automatización y los resultados deseados. Claramente, la modularización continuará jugando un papel importante.