Cómo los Fabricantes de Automóviles Mejoran la Producción con Robots Colaborativos e Impresión 3D

La industria automotriz está agregando robots más sofisticados, recurriendo a la impresión 3D e integrando otras tecnologías avanzadas.

La industria automotriz de EE. UU. ha sido automatizada durante décadas. La producción de autos y camiones se asocia con robots grandes y voluminosos cercados lejos de empleados humanos. Dentro de esas áreas cercadas, se realizan tareas como soldadura.

La industria, sin embargo, está avanzando en el frente de la automatización. Fabricantes de automóviles y proveedores se están moviendo hacia el uso de robots colaborativos, conocidos como cobots. Estos dispositivos a menudo son más pequeños, tienen más destreza y pueden desplegarse de forma segura junto a operadores humanos.

Además, la industria también quiere expandir el uso de impresoras 3D. Fabricantes como Ford Motor Co. y BMW AG están trabajando directamente con fabricantes aditivos sobre el despliegue de la tecnología. Las empresas también están utilizando realidad virtual y aumentada para abordar problemas de manufactura. Y, como es el caso con muchos otros fabricantes, la industria automotriz quiere sacar el máximo provecho de la Industria 4.0, donde las máquinas "conectadas" se comunican entre sí y con operadores humanos.

"Hay muchas formas en que la nueva automatización difiere de cómo se veía la automatización en los años 80", dijo Kristin Dziczek, vicepresidenta de industria, trabajo y economía en el Center for Automotive Research (CAR) con sede en Ann Arbor, Mich.

"Estos días, la automatización no solo replica el esfuerzo físico humano sino que también lo conecta a otros sistemas cibernéticos y físicos tanto dentro como fuera de la planta", dijo Dziczek. "Eso significa que los fabricantes están obteniendo más datos de la automatización y más control sobre el sistema total de manufactura — no solo control sobre estaciones automatizadas individuales".

Un símbolo de las tendencias de automatización automotriz es el nuevo Centro de Manufactura Avanzada de Ford en el suburbio de Detroit de Redford, Mich. Dentro, se estudian impresoras 3D y cobots para formas de ser usados en el piso de fábrica. Las instalaciones de realidad virtual y aumentada del centro son una forma para que las fábricas de Ford en todo el mundo lidien con problemas como cómo estacionar equipo de producción en el piso de la planta.

Ford formó una organización de manufactura avanzada en 2017, reuniendo empleados de todas las operaciones de manufactura del fabricante. El grupo identificó su sitio el año pasado después de que una empresa industrial se mudara a otra ubicación en el área de Detroit.

"Ford Motor Co. tiene una relación muy madura con la automatización", dijo Mike Mikula, ingeniero jefe de la organización global de manufactura avanzada para Ford. La empresa quería acelerar su tecnología de manufactura, dijo.

Lo que sigue son algunas de las formas en que la automatización y nuevas tecnologías en la industria automotriz están evolucionando.

La Impresión 3D Cobra Fuerza

La impresión 3D, o manufactura aditiva, involucra imprimir una pieza capa por capa desde un diseño digital. La tecnología está cambiando hacia imprimir piezas más grandes y hacer más impresión con varios tipos de metales. La aeroespacial ha estado invirtiendo en aditivo por años porque la impresión 3D permite nuevos diseños y tiene la promesa de uso más eficiente de metales como titanio.

Sin embargo, la industria automotriz tiene volúmenes de producción más grandes. Hasta ahora, la adopción de impresión 3D por fabricantes y proveedores ha rezagado a sus contrapartes en aeroespacial.

"Las aplicaciones actuales de impresión 3D se limitan a herramientas, matrices, moldes, plantillas, fijaciones y algunas piezas de bajo volumen", dijo Dziczek de CAR. "Los verdaderos obstáculos para una adopción más amplia de impresión 3D en autos y piezas de producción masiva son el tiempo de ciclo, costo y costos hundidos de los procesos actuales de formación de piezas basados en estampado, moldeado y mecanizado. La impresión 3D tiene que volverse más rápida y los costos tienen que bajar considerablemente antes de que veamos aplicaciones generalizadas de alto volumen en la industria automotriz".

No obstante, el desarrollo de manufactura aditiva está en marcha en la industria automotriz.

"Los avances dentro de la tecnología de impresión 3D en y de sí mismos crean una serie de soluciones que históricamente no han estado disponibles", dijo Mikula de Ford. Las mejoras incluyen "la velocidad en la que podemos imprimir y con los materiales con los que podemos imprimir. La introducción de polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP), plásticos avanzados y ciertamente metal ha cambiado dramáticamente las aplicaciones potenciales desde el punto de vista de cuál es el 'arte de lo posible'".

"Cuando combinas eso con" mayor capacidad de cómputo, continuó, "dejas que el software te ayude a diseñar la pieza. No requiere el mismo nivel de esfuerzo de ingeniería y tiempo de entrega para proporcionarte una solución principal que cumpla todos tus requisitos. Así que tanto en términos de lo que podemos imprimir y qué tan rápido podemos imprimirlos... hace que la impresión 3D sea una tecnología muy intrigante. Ciertamente nuestro objetivo aquí es aprovecharla desde el punto de vista de proporcionar a nuestros procesos de manufactura las herramientas y ayudas de ensamblaje que necesitan para ser más robustos, así como potencialmente superar algunos de los desafíos tecnológicos asociados con la impresión 3D".

Previamente, Ford ha colaborado con Stratasys Ltd. en impresoras 3D de prototipo para producir piezas grandes. El fabricante, con base en Dearborn, Mich., también es inversionista, junto con BMW, en Desktop Metal, una empresa de manufactura aditiva con base en Burlington, Mass. Ken Washington, director de tecnología de Ford, está en la junta directiva de Desktop Metal.

Ford y BMW "saben que esto viene", dijo Jonah Myerberg, director de tecnología y cofundador de Desktop Metal. "Tienen prisa. Todavía faltan unos años para que se vea en todo un vehículo".

Myerberg dijo que la impresión 3D probablemente se expandirá más allá de moldes y plantillas, pero hay mucha incertidumbre.

"No puedes solo mirar un área del vehículo", dijo. "Tienes que mirar el vehículo entero. Lo que intentamos hacer es abrir sus ojos a lo que vemos como los beneficios clave de la impresión 3D". El ejecutivo de Desktop Metal dijo que los fabricantes pueden empujar la tecnología a su nivel superior de proveedores.

"Hay mucho pasando detrás de escena que estos ingenieros no hablarán", dijo Myerberg. "Solo tenemos una pequeña imagen de cómo nuestros clientes van a usar estas impresoras".

En septiembre, HP Inc. introdujo una nueva tecnología de impresión 3D que llama HP Metal Jet, destinada para producción en masa de piezas de acero. Volkswagen AG tiene la intención de usar la tecnología HP Metal Jet para producir vehículos eléctricos en la década de 2020, según HP. Los vehículos eléctricos tienen menos piezas móviles que motores de combustión interna convencionales. Como resultado, los EV pueden ser una oportunidad para expandir la manufactura aditiva en la industria automotriz.

Robots Colaborativos

Los robots fueron uno de los primeros ejemplos de automatización en el piso de fábrica de la industria automotriz.

Las primeras etapas de adopción de robots consistieron en hacer trabajos peligrosos y repetitivos, dijo Lou Finazzo, gerente general, mercados automotrices y de componentes para FANUC America Corp., Rochester Hills, Mich. Muchos robots se usaban para soldar carrocerías de autos y camiones.

"Los humanos eran restrictivos en lo que la industria automotriz podía realmente evolucionar en el lado de la carrocería", dijo. Era desafiante para operadores humanos manipular "esas pistolas de soldadura gigantes, grandes" y alcanzar ciegamente a través del vehículo y aplicar numerosos puntos de soldadura "que no sabías si estaban bien o mal".

"Una vez que la tecnología robótica despegó, pudieron diseñar vehículos un poco diferente, [con] ensamblaje más complejo", continuó. "También, tener un mejor bucle de control en la calidad, lo que les permitió realmente reducir la cantidad de soldadura y componentes estructurales, hizo que el ensamblaje de vehículos evolucionara a donde estamos hoy. Esas fueron las etapas iniciales".

Hoy, los robots y la automatización están subsidiando la mano de obra, y hay escasez de mano de obra para fabricantes y proveedores, según Finazzo.

"Así que ahora puedes tomar una persona y esa persona puede ser responsable de cuatro, cinco robots colaborativos y en realidad has aumentado su eficiencia... Cuando hablamos con constructores de autos tradicionales, la flexibilidad que se requiere es mucho más que solía ser en el pasado", dijo.

Los robots colaborativos están siendo notados en la industria automotriz. "Dos factores clave que impulsan el interés de la industria automotriz en robots colaborativos son velocidad y costo", dijo Darrell Paul, gerente de marketing para robótica y control de movimiento en Omron Automation Americas, Hoffman Estates, Illinois. "Los robots colaborativos pueden implementarse más rápido y en entornos de manufactura existentes. Estos robots también tienen la capacidad de trabajar con celdas de manufactura y operadores existentes, lo que elimina la necesidad de costos estructurales o de infraestructura adicionales".

La compañía introdujo su nueva serie TM de cobot en el CES de este año en Las Vegas. Según Omron, el robot, que tiene un sistema de visión, permite arranques rápidos y cambios de modelo. Omron también afirma que el software del robot le permite ser entrenado para diferentes tareas.

En el Centro de Manufactura Avanzada de Ford, hay robots hechos por FANUC, ABB, Universal Robots y KUKA Robotics.

"Mucho del trabajo que se hace en nuestras plantas no requiere un robot industrial que tenga el nivel de alcance y carga útil que los robots industriales básicamente abordan", dijo Mikula de Ford. "Los robots colaborativos proporcionan una huella de manufactura pequeña, y pueden incorporarse de forma segura entre nuestros técnicos e instalaciones sin tener que construir una infraestructura significativa de protección".

"Con un robot colaborativo, puedes tener una solución mucho más simple; [puedes] llevar el trabajo al robot para que el robot pueda realizar el trabajo de forma segura y hacerlo de manera confiable", continuó Mikula.

"Nuestras instalaciones de manufactura son muy costosas de modificar", dijo. "El contenido en nuestros vehículos continúa aumentando. El esfuerzo [requerido] para ensamblar motores, transmisiones, paquetes de baterías y vehículos continúa aumentando con el tiempo. Así que donde podamos acomodar ese contenido adicional e introducir automatización para hacerlo... para asegurar que entreguemos a nuestros consumidores el producto de más alta calidad posible a un precio asequible, ahí es donde los robots colaborativos realmente encajan en la ecuación".

Desde el punto de vista de proveedores de robots, hay mucha presión para rendir.

"Con automotriz, la velocidad al mercado es muy importante", dijo Finazzo. "Hace diez años, [eso] habría sido un enorme éxito lanzar un nuevo camión en 18 meses. Ahora, son como, 'guau, necesitamos hacerlo en 12 meses'. Así que, la velocidad al mercado es un gran asunto".

Proveedores Automotrices se Ajustan

Algunos proveedores automotrices se han ajustado al mayor uso de cobots y el ritmo más rápido.

Inficon, con base en Bad Ragaz, Suiza, fabrica dispositivos de inspección automotriz para sistemas de auto. La compañía ha visto su equipo desplegado con robots colaborativos más pequeños. Los dispositivos Inficon se usan para detectar fugas de humedad o gases. Con robots colaborativos, Inficon tiene más oportunidades para que sus dispositivos se conecten a robots. Los productos Infincon ahora se usan para detectar humedad en sistemas de vehículos eléctricos.

"Esto es algo en lo que hemos estado trabajando por cinco a siete años", dijo Thomas Parker, gerente de ventas automotrices de Norteamérica de Inficon.

Los robots colaborativos hacen más fácil desplegar dispositivos Inficon. "Estamos haciendo mucha educación a clientes sobre lo que es posible con un robot colaborativo, lo que es posible con un robot de seis ejes. Hay mucha educación por parte de mi equipo".

Hydromat Inc., un fabricante de máquinas herramienta cuyos clientes incluyen clientes automotrices, se ha ajustado a las tendencias de la industria.

Con Hydromat, "la automatización se ha vuelto más interactiva", dijo Kevin Shults, director de marketing para la compañía con base en Maryland Heights, Mo. "Para los trabajadores, los sistemas se han vuelto más interactivos entre operadores y las máquinas herramienta que ejecutan. La programación en la máquina es más común".

Los cambios en la industria automotriz significan "cambios de modelo más frecuentes", dijo Shults. "Los cambios de modelo tienen que ser más rápidos".

Shults añadió, "La automatización es esencial en la búsqueda de ofrecer a nuestros clientes automotrices las familias multi-parte que les dan diversidad y ganancias de producto".

Trabajadores se Ajustan

Hay esfuerzos en marcha para mejorar las habilidades de los trabajadores a medida que la industria automotriz se vuelve más sofisticada.

AIDT, el programa de capacitación de fuerza laboral de Alabama, está intentando intensificar sus esfuerzos de capacitación de trabajadores a medida que el empleo en la industria automotriz se vuelve más sofisticado. Los empleados de fábricas vienen a las instalaciones de AIDT en Tanner, Ala., cerca de Huntsville para sesiones de capacitación.

Alabama alberga varias plantas de ensamblaje de vehículos. El estado también tiene fábricas aeroespaciales. Como resultado, Alabama está intentando mejorar su capacitación en manufactura. En enero, una delegación de Alabama visitó la sede de Detroit de Lightweight Innovations For Tomorrow (LIFT), el instituto Manufacturing USA que reúne empresas y académicos para mejorar tecnología de aligeramiento para manufactura.

"Alabama [está] evolucionando en manufactura", dijo Kristi Bain, directora asistente de AIDT.

"Tenemos que trabajar en un escenario de manufactura avanzada", dijo Ed Castle, subsecretario de comercio de Alabama en la comisión de desarrollo de fuerza laboral de esa agencia. "Para nosotros, es una ecuación simple. ¿Cuál es la necesidad y cómo defines esa necesidad?"

Mikula de Ford dijo que estas tendencias reflejan cómo la manufactura automotriz es más atractiva que antes.

"Es un lugar realmente emocionante para estar", dijo. "Es un lugar realmente divertido para estar".