Manufactura en 2050: Cómo la Automatización y la Innovación Humana Moldearán el Futuro

Poderosas tendencias impulsarán la manufactura cerca de la automatización completa para 2050, mientras que las personas que aún trabajen en la industria estarán empoderadas 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 ahí para alimentar al perro. El perro estará ahí para evitar que el hombre toque el equipo".

No estamos ahí aún. Pero una serie de tendencias poderosas e interconectadas nos empujarán cerca de ese estado para 2050, mientras que las personas que aún estén en manufactura estarán empoderadas para innovar y construir rápidamente como nunca antes.

Multitarea y Automatización

Es una apuesta segura que para 2050 la máquina herramienta promedio será totalmente automatizada y 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 los 2000, el mercado norteamericano para máquinas de cinco ejes era 150. Hoy son 3.000. Las máquinas también están combinando rectificado y fresado, o deposición de metal por láser y fresado, o rectificado y endurecimiento por trabajo". Añadió que si bien el beneficio es la capacidad de lograr más dentro del envolvente de trabajo, la "pesadilla" ha sido hacer que todas estas funciones operen correctamente y consistentemente. "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 mezcla tecnológica, y más allá de eso, sus implicaciones para el diseño de productos y una serie de otros temas. Hasta ahora, las limitaciones de velocidad y los altos costos de materias primas de la manufactura aditiva han limitado severamente su viabilidad más allá del prototipado. Pero Terry Wohlers, consultor principal y presidente de Wohlers Associates (Fort Collins, CO), dijo que la velocidad "no será un enemigo" para 2050.

Tome un sistema de lecho de polvo: La mayor parte del tiempo de producción está en trazar la superficie con el láser para fundir el material. "Pero ahora hay sistemas disponibles con muchos láseres trabajando simultáneamente en una plataforma de construcción", dijo Wohlers. "La energía de un haz de electrones puede dividirse 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, quizás "aprovechando la energía del sol directamente para fundir material, en lugar de enchufar a una toma de 440".

Wohlers añadió que la deposición de energía dirigida es inherentemente 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 hay un compromiso en resolución, generalmente requiriendo mecanizado, y a veces una cantidad significativa". Esto nos devuelve a sistemas híbridos que combinan aditivo con fresado CNC. Como Walker, Wohlers cree que los problemas para hacer que estos dos enfoques funcionen armoniosamente se resolverán en gran medida en los próximos 32 años.

Otro factor que argumenta por un mayor uso de técnicas aditivas es una caída esperada en costos de materiales y una gama más amplia para elegir. "Las máquinas de hoy trabajan con solo unas pocas docenas de termoplásticos, por ejemplo", dijo Wohlers, "sin embargo, miles están disponibles para manufactura convencional".

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

Hay un caso similar para el metal, pero Walker, por ejemplo, es escéptico de que lo aditivo logre un perfil de costos en metales que justifique reemplazar métodos tradicionales. "Es mucho más fácil calentar 60 toneladas y laminar chapa metálica que construir algo con metal en polvo o revestimiento", dijo Walker. "Veo lo aditivo como una función que puedes poner en un envolvente de máquina para agregar valor al proceso. Pero no veo lo aditivo como un proceso de reemplazo para hacer acero, a menos que la tecnología cambie y lleguemos al punto de manipulación molecular usando un tipo diferente de fuente de energía".

La manufactura aditiva tiene un as bajo la manga, 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, también ayuda a aliviar el problema de velocidad de la impresión 3D. Eso es porque una estructura de celosía abierta hecha posible por impresión 3D puede lograr la resistencia y rigidez requeridas 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. Extrañas estructuras nuevas se superponen bien con nuestro próximo tema.

Diseño Creativo Automatizado

En la opinión de Walker, la manufactura está preparada para lograr sus mayores ganancias de productividad en dos áreas, una de las cuales es digitalizar todo el trabajo necesario para preparar un proceso de manufactura. "Hoy un diseñador comienza con un modelo digital, y luego genera una trayectoria de herramienta... luego alguien diseña un dispositivo de sujeción... luego consigues una forja... luego un ingeniero de aplicaciones gotea el programa a la máquina y va herramienta por herramienta y monitorea cómo suena el corte y cómo se ve... y eventualmente logra que la máquina haga la pieza... y luego refina todos los movimientos para poder reducir el tiempo de ciclo". En realidad, es aún peor porque obtener el diseño inicial también es engorroso. Afortunadamente, muchas mentes brillantes están trabajando duro para facilitar y acelerar cada parte de este proceso.

En el frente inicial, 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 usa aprendizaje automático e inteligencia artificial (IA) para generar automáticamente cientos de diseños que cada uno satisface los criterios del diseñador para resistencia, costo, método de manufactura, material, etc. Además, explicó Bob Yancey, director de estrategia de manufactura y producción de Autodesk, los diseños "no son solo alguna geometría idealizada imposible de usar, son modelos CAD reales funcionales que pueden manipularse más en software CAD".

También son lo que Yancey llama "conscientes de manufactura", lo que significa que comenzaron con los métodos de manufactura deseados integrados como una restricción desde el principio. "Así que si especificas que la pieza necesita poder mecanizarse en un CNC de cinco ejes, todas tus opciones de diseño se ajustarán a esa restricción", dijo.

No elimina la necesidad de un diseñador humano. Como lo dijo Yancey, "Describir el desafío de diseño con precisión y experiencia es una habilidad de ingeniería que no desaparecerá. Lo que hace el software de diseño generativo es darte más opciones de diseño de las que cualquier humano podría concebir por sí solo, así que tienes mayor confianza en que estás 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 a menudo son sorprendentes y superiores a lo que un humano habría imaginado. Como dijo Diego Tamburini, líder principal de la industria — Comunidades de Industria Manufacturera / División Cloud + IA para Microsoft (Redmond, WA): "Si me siento frente a mi herramienta CAD para diseñar una pieza, ya tengo 1.000 preconcepciones sobre cómo debería verse basadas en siglos de diseños previos. La IA no tiene tales nociones. Y aunque estoy de acuerdo en que automatizar el diseño es un problema difícil y es difícil imaginar una computadora diseñando artículos complejos, tenemos que reconocer que, por el contrario, hay muchas instancias en las que vivimos con diseños humanos subóptimos".

Algunas de nuestras preconcepciones provienen de nuestra experiencia con materias primas limitadas a bloques, barras y láminas. Pero la impresión 3D no está limitada a esas materias primas. Ni está limitada en las formas que puede crear.

Si eliminas esas restricciones y dejas trabajar a la IA, el diseño generativo a menudo crea formas que son "completamente diferentes de lo que estamos acostumbrados. Más orgánicas, como huesos de animales", dijo Tamburini. Wohlers hizo eco de esto y dijo que la naturaleza ofrece excelentes ejemplos de estructuras con notables relaciones resistencia-peso. Hasta recientemente, las impresoras 3D producían estructuras de celosía, malla o celulares definidas por programas enlatados con poca comprensión de sus propiedades de resistencia. "Las herramientas más nuevas de optimización topológica pueden producir estructuras de celosía y malla ingenierizadas con certeza de resistencia", dijo Wohlers. "En el futuro, podríamos ver estructuras súper ligeras en diferentes aleaciones metálicas que sean más ligeras que compuestos de fibra de carbono, que consumen mucho tiempo en producir y son costosos".

Tamburini dijo que ha visto casos en los que la computadora presenta una forma en celosía que no inspira confianza en el humano (se ve demasiado ligera y endeble), así que el diseñador la cubre con algo para que se vea más robusta. La gente sigue siendo gente, después de todo.

Acelerando el Proceso

Krisztina "Z" Holly, fundadora e instigadora principal de Make It In LA (Los Ángeles) subrayó el beneficio de combinar software cada vez más inteligente con impresión 3D y otras nuevas tecnologías (como realidad virtual) para acelerar enormemente el ciclo iterativo de desarrollo de productos. Además de la capacidad de obtener más retroalimentación del consumidor más temprano en el proceso, lo que puede llevar 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 no ingenieros diseñen los tipos de productos que quieren", dijo. "También será más fácil para emprendedores iniciar un negocio de manufactura. ¿Qué tipos de productos estarán disponibles si la gente puede iniciar un negocio de productos físicos tan fácilmente como uno de productos digitales?"

Un resultado que imagina: "Dos conjuntos de habilidades se vuelven increíblemente valiosos. Uno son habilidades tecnológicas profundas para codificar estos sistemas y entender los detalles de lo que funciona y lo que no. El otro es comprensión empática de las necesidades del cliente y oportunidades de mercado".

¿Qué habilidades se vuelven menos críticas? En realidad, operar las máquinas. El proceso desde diseño hasta CAM será más o menos automatizado. Como explicó Walker, si el modelo de diseño incluía información sobre el material (como se está volviendo estándar), la máquina debería "tener la inteligencia para hacer el resto. Sacar las herramientas correctas de un rack de 8.000 herramientas y seguir las trayectorias correctas a las velocidades apropiadas. La máquina debería tener capacidades de monitoreo visual y audible para evitar colisiones y también medir las condiciones de corte y ajustar velocidades y avances en consecuencia. Eso es lo que hacen los ingenieros de aplicaciones hoy. ¿Cuántos necesitaremos en 30 años? Con suerte, ninguno".

Dicho esto, Holly advirtió contra enfocarse solo en empleos. Primero, habrá empleos — solo diferentes, más creativos. Y segundo, "Lo importante es mantener la innovación local", dijo. "Hay muchos negativos en enviar diseño y manufactura al extranjero. Pierdes 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 manufactura misma".

Hecho a Medida... Localmente

Todos parecen estar de acuerdo en que la manufactura se volverá mucho más dispersa geográficamente, un proceso grandemente ayudado por las capacidades multiplicadoras de las máquinas herramienta individuales. Yancey dijo que muchos fabricantes quieren tanto disminuir el riesgo como hacer productos más cerca del cliente para adaptarlos mejor al mercado.

Walker estuvo de acuerdo y también predijo que los costos de transporte e impactos ambientales impulsarán a las empresas a producir localmente. Añadió que también hay compensaciones obligatorias por gobierno, en las que un fabricante debe producir un cierto número de piezas en un país para poder vender productos en ese país. Otro motivador es mantener la rentabilidad a pesar de fluctuaciones en monedas, un problema exacerbado por márgenes cada vez más ajustados.

Al mismo tiempo, habrá un grado mucho mayor de personalización y una cadena de suministro mucho más ajustada. Como resumió Tamburini: "La práctica de pronosticar demanda y producir en masa piezas para satisfacer la demanda esperada se volverá del revés. Estará más cerca de que el cliente le diga al fabricante exactamente lo que quiere y el fabricante lo haga entonces y solo entonces. La digitalización y automatización están haciendo este sueño más técnicamente, e incluso económicamente, factible".

Esto no se aplicaría a todos los productos, y las líneas entre estandarización, personalización y customización son borrosas. Pero Tamburini está seguro de que la práctica de personalizar productos mediante una lista de opciones predefinidas crecerá exponencialmente. Algunos productos, como prótesis y ropa, pueden ser totalmente personalizados. Del mismo modo, la mayoría de los fabricantes serán oficinas de servicios generalizadas y no especialistas. Las máquinas construirán lo que venga a través de la nube, bajo demanda.

Como lo dijo Walker, "Hoy una empresa necesita un contrato de tres a cinco años para hacer un componente porque el costo de comprar, programar y equipar una máquina para hacer la pieza consistentemente y con precisión es enorme". Haz las máquinas automatizadas y multifuncionales y elimina gran parte del esfuerzo de configuración y la manufactura se vuelve un negocio más ágil, y quizás de menor margen. Como Holly de Make It in LA lo tendría, el proceso de diseño y las herramientas e interfaces de diseño se vuelven aún más importantes.

Manteniendo las Cosas Funcionando

La digitalización aumentada, "hiper-conectividad" e IA deberían mejorar enormemente nuestra capacidad de mantener la producción funcionando con un mínimo de personal y tiempo de inactividad. Tamburini dijo que la mayoría de los datos que se recopilan ahora se usan para monitorear lo que ocurre en la fábrica y en toda la cadena de suministro. "Pero estamos empezando a preguntar 'por qué' suceden ciertas cosas y usando IA para predecir lo que sucederá. La próxima fase en este proceso es usar IA y aprendizaje automático para permitir respuestas autónomas".

En otras palabras, con suficientes datos para analizar, el aprendizaje automático puede predecir con precisión fallas específicas de piezas. Con buenos algoritmos de decisión y conocimiento sobre todas las demandas de producción en la planta, el sistema también puede decidir por sí mismo qué hacer sobre la falla inminente: ordenar la pieza, programar el tiempo de inactividad, mover ciertos trabajos a máquinas alternas, etc. Incluso podrías imaginar una máquina arreglándose a sí misma o pidiendo el robot que pueda, aunque Walker dijo que no cree que nos libremos nunca de la necesidad de técnicos de mantenimiento humanos. Sin embargo, sí cree que las máquinas se comunicarán audiblemente sobre lo que necesita hacerse — sin necesidad de dispositivos portátiles o pantallas y controles.

Tamburini dijo que Microsoft tiene un producto montado en la cabeza (HoloLens) que te permite interactuar con hologramas a tu alrededor. "Superpone información digital sobre la realidad, dándote superpoderes, en cierto sentido. La gente está descubriendo que la realidad aumentada puede usarse para hacer cosas como proporcionar instrucciones de ensamblaje, o instrucciones de control de calidad, o instrucciones de mantenimiento, reduciendo así la necesidad de capacitación". Por ejemplo, un experto en mantenimiento remoto puede asistir a un técnico local señalando una pieza o indicando cómo mover una pieza, como si ambos estuvieran mirando lo mismo en el mismo taller juntos.

Finalmente, Tamburini señaló que una de las bellezas del aprendizaje automático es que "el momento en que mejoran, esa capacidad o conocimiento puede transmitirse instantáneamente a todo el mundo, porque es solo software. Así que todos se vuelven más inteligentes y mejores, asumiendo que podamos compartir datos". Contrastó esto con depender de un experto en la planta que usa sus propios años de experiencia para interpretar los sonidos de las máquinas y similares. "Es muy desafiante distribuir ese tipo de conocimiento".

Lo Que No Cambiará

En la medida en que surgió, los expertos no parecen pensar que la precisión de manufactura avanzará mucho en los próximos 30 años. "Estamos trabajando en tolerancias donde la metrología para determinar la precisión es el problema mayor", como lo dijo Walker. "El siguiente paso para obtener mejores tolerancias sería manipulación molecular", (lo cual nadie vislumbró). Nadie pareció pensar que la velocidad de mecanizado sería significativamente más rápida tampoco. Incluso la mejora en velocidades de impresión 3D discutida anteriormente será más evolutiva que revolucionaria — no tan significativa como el aumento de productividad debido a mejoras de software. Del mismo modo, nuestra capacidad actual para producir componentes diminutos ya es asombrosa. Wohlers se refirió a la miniaturización como "en parte una solución buscando un problema. Una de las pocas aplicaciones son diminutos sensores incrustados dentro de piezas impresas en 3D".

Si te preocupan los cambios, Walker podría consolarte con este pensamiento: "Hemos estado ajustando la manufactura desde los 1780. Los próximos 30 años serán más ajustes, a menos que encontremos algo verdaderamente revolucionario". Me preguntó si alguien dijo que habían descubierto cómo manipular la gravedad para poder volar a la luna sin quemar combustibles fósiles, sabiendo la respuesta. Viniendo a pensarlo, nadie mencionó al perro que impedía al hombre hacer cambios en la máquina, tampoco.