Industria 4.0 y Manufactura Digital: Un Método de Diseño Aplicando Ingeniería Inversa

Industria 4.0

El concepto industria 4.0 nace en Hannover Alemania hacia el 2011, con el objetivo de promover la manufactura computarizada impulsada por el asombroso aumento de la capacidad computacional y de conectividad, la aparición de nuevas capacidades analíticas y de inteligencia empresarial, nuevas formas de interacción hombre-máquina, como las pantallas táctiles y sistemas de realidad aumentada, además de notables mejoras en la transferencia de instrucciones digitales al mundo físico como la robótica y la impresión 3D ^[11].

Sus cuatro principales impulsores son el Internet de las cosas, el Internet Industrial, la fabricación basada en la nube y la manufactura inteligente, puntos relevantes que comparten la visión de una futura producción digitalizada ^[12], no obstante que la mayoría de estas tecnologías digitales se han estado gestando durante algún tiempo, muchas empresas aún no están listas para su aplicación a escala. Dichas tecnologías ahora se encuentran en un punto en el que por su mayor confiabilidad y menor costo están comenzando a tener sentido para las aplicaciones industriales ^[13].

En este contexto, se describen nueve tendencias tecnológicas (pilares) que están construyendo las bases de la industria 4.0 y que exploran su potencial técnico y sus beneficios económicos para potenciar los procesos de manufactura en las empresas ^[14]. En la Tabla I se presentan cada uno de ellos con su respectiva definición.

Tabla I: Pilares de la Industria 4.0

Todos estos pilares se aplican no solo en la industria, sino en todo tipo de organizaciones; por lo tanto, se está frente a una revolución digital más que industrial. Si a esto se le añade la hiperconectividad de las redes, los avances científicos en bio, nano o nuevos materiales y la globalización, se estará frente a una transformación de la economía y ante un cambio mucho mayor que el de las revoluciones industriales previas ^[9].

Ingeniería inversa

La ingeniería inversa tiene como objetivo principal identificar las características y funciones de un proceso, sistema o componente para reproducirlo ^[20], asimismo, es utilizada como una metodología de rediseño que busca ser aplicada en productos ya existentes ^[21]. Para el caso de componentes mecánicos, la ingeniería inversa es ideal para recabar información a partir de un modelo físico sin la necesidad de usar documentación gráfica o digital, incluso, es muy útil para el duplicado de partes en los procesos de fabricación o para la recuperación de información que se ha perdido por fracturas o desgaste de las piezas a fabricar. En sí, la sustitución de partes o el copiado y reproducción de sistemas a partir de un modelo de referencia son solo algunas de sus más conocidas aplicaciones ^[7]. Borja-Ramírez ^[22] planteó un modelo con factores de aplicación de ingeniería inversa en el sector industrial, el cual se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Factores de aplicación de ingeniería inversa en la industria. Fuente: elaboración propia con base en [22].

• Diseño de productos nuevos: el proceso de diseño de algunos productos, inicia con prototipos o modelos físicos. La ingeniería inversa es usada para representar el prototipo con un modelo de información computacional, mejorar u optimizar el diseño con sistemas de CAD y fabricar un producto con equipo de manufactura asistida por computadora (CAM, por sus siglas en inglés) usando el modelo CAD.

• Modificación de diseños existentes: los sistemas de ingeniería asistida por computadora (CAE, por sus siglas en inglés) ofrecen muchas ventajas para modificar diseños cuando se requieren realizar pruebas de comportamiento físico del prototipo, como es el análisis de esfuerzos estáticos, dinámicos e impacto.

• Substitución de partes desgastadas o rotas: cuando una parte única se desgasta o rompe y no se cuenta con planos, es posible manufacturar una copia usando su modelo CAD.

• Inspección industrial: una alternativa para verificar las partes mecánicas es comparar sus dimensiones físicas con el modelo CAD, el modelo puede ser obtenido por medio de reconstrucción de imágenes parciales y ser empleado sin alterar el diseño, inspeccionarlo o documentarlo.

• Documentación de diseño: los productos diseñados por medio de sistemas CAD son frecuentemente modificados durante la etapa de producción para ajustar detalles o hacer mejoras. La documentación (planos) del modelo CAD puede ser actualizada para que corresponda al resultado final en cualquier momento.

• Desarrollo de información para la manufactura: a partir de la información extraída de un producto, es posible generar la trayectoria de herramientas en Control Numérico Computarizado (CNC) o información a través de archivos STL (STereo Lithograpy).

• Análisis de mercado: la realización de modelos CAD implica un análisis detallado del producto. Si se hace el análisis de varios diseños, de diferentes fabricantes, es posible, mediante estudios específicos, identificar las mejores ideas y tecnologías usadas por otros.

Actualmente existen varias técnicas de innovación para el diseño aplicando ingeniería inversa, entre las que destacan la digitalización y la rapidez de diseño en el prototipo ^[23]. En la primera es posible transferir superficies reales hacia un formato digital, por lo que el principio de digitalización se da a través de una nube de puntos obtenida por un proceso de escaneado; dicha nube es la base para capturar y modelar la pieza en CAD donde se perfecciona con base en los datos originales, esto es, modelado sólido basado en características ^[24]. Con respecto a la segunda técnica, esta se fundamenta en CAM, permite visualizar el proceso de fabricación de la pieza de acuerdo con los resultados obtenidos por el proceso de escaneado y modelado en CAD.

En los últimos años, las grandes empresas están invirtiendo en ingeniería inversa para incrementar su competitividad y reducir el tiempo requerido para la creación de prototipos y para la producción real de productos. Hay muchas razones para usar ingeniería inversa, el criterio base para su elección como método de creación es la ausencia de un modelo CAD 3D digital, por lo que las posibilidades de su aplicación aumentan paralelamente con el desarrollo de hardware y software que se utiliza para la creación y el diseño de productos, un ejemplo de estas aplicaciones son la digitalización de productos reales, modelado en CAD para la comparación de productos producidos o la configuración de la máquina mediante sistemas CAM después de la medición digital ^[23].

En su proceso, algunos sistemas usan cámaras ópticas para realizar el escaneado ^[25] - ^[27], sin embargo, no son precisas para obtener información sobre profundidad y textura de los objetos o de los ambientes sometidos a estudio ^[28], por lo que para obtener estos datos se ha observado que los sistemas escáner por dispositivo láser son la mejor opción en tanto que son capaces de generar información con una alta precisión en lo que concierne a profundidad y textura ^[29], ^[30].

Métodos de diseño

Tradicionalmente, las actividades de diseño y manufactura han estado unidas, no existía una actividad previa de dibujo o bosquejo antes de la fabricación; en la actualidad estas dos actividades se realizan de forma separada y es necesario un diseño previo para comenzar la fabricación ^[31].

Este principio ha derivado en la necesidad de contar con metodologías que sirvan como guías para el desarrollo de procesos y productos. Desde los principios de Asimov en 1962, los métodos de diseño han realizado esta función; sin embargo, a través del tiempo han evolucionado sus tendencias adaptándose a las necesidades de cada época y sociedad. En la Tabla II se muestra como se ha desarrollado esta evolución, presentando los puntos importantes en el proceso de cada método de diseño para su análisis.

Tabla II: Evolución en el proceso de los métodos de diseño.

Al analizar cada uno de los métodos de diseño presentados en la tabla anterior, se observa que a pesar de las diferencias que existen entre ellos también se explicitan coincidencias que los llevan a Reverse Engineering compartir etapas comunes, es el caso de las necesidades, las etapas conceptuales y alternativas de soluciones, donde la creatividad es la principal protagonista; no obstante, los esfuerzos en la investigación sobre la ingeniería del diseño han cambiado recientemente, considerando ahora tres puntos de vista, el del cliente, el del diseñador y el de la comunidad, con un anexo extra que son los apartados especiales ^{[38], [39]}, las necesidades del mercado ^[40] y las nuevas tendencias de la era digital ^[37].

En el primer punto de vista se enfatiza que la visión del cliente se hace necesaria debido a la gran competencia presente en los mercados, la cual, cada vez está más saturada de productos similares en el que el cliente posee un alto poder de decisión. Aquí los focos de acción se deben centrar en la gestión de las necesidades, el diseño para la estética y en la ergonomía. Dentro de esta vertiente se presentan métodos como de diseño axiomático de Shu, método de ingeniería Kansei, el modelo transdisciplinario de desarrollo de ciclo de vida del producto de Humus, Ertas, Tate y Cicek, modelo de inteligencia de la estética de Macdonald, modelo de evaluación de ergonomía de Colombo y Cugini ^[39].

Desde la perspectiva del diseñador, los focos de acción se deben centrar en el diseño para la robustez, la optimización, flexibilidad y cognición del diseño, lo que representa la capacidad del experto para entender, razonar e implementar un pensamiento inteligente de diseño. Se destacan métodos como el de diseño robusto de Taguchi, montajes inteligentes de Downey, sistemas robustos basado en el modelado de sistemas de Zakarian y la matriz de estructura de diseño de Yassine, el proceso de diseño creativo de Howard, el método TRIZ para la resolución de problemas, la metodología de optimización de diseño por datos de Zhao, Icoz, Jaluria y Knight, el método para el diseño de mecanismos complejos de Kobayashi y el método de evaluación de flexibilidad de un producto de Rajan ^[40].

En el último punto, desde el punto de vista de la comunidad, se debe prestar atención al eco diseño, en el que el diseñador debe prestar atención especial al cuidado del medio ambiente y a un diseño apropiado para el desmontaje de los modelos. Modelos como el de manufactura rápida (RM, por sus siglas en inglés), diseño para el medio ambiente (DFE, por sus siglas en inglés) y el diseño para el desensamblaje (DFD, por sus siglas en inglés) son los más destacados en esta vertiente ^[39].

Como apartados especiales considera los costos de ingeniería, los métodos computacionales aplicados y las plataformas globales para personalizar la producción. En las necesidades del mercado se establece la idea y funcionalidad del producto ^[40]. En las tendencias de la era digital se resalta la importancia de las ciencias computacionales como una nueva visión de diseño en ambientes virtuales ^[37].

Método de diseño propuesto

Con base en lo anterior, en la Figura 4 se presenta la propuesta de método de diseño para la manufactura de modelos con un enfoque hacia la industria 4.0 desde la perspectiva del diseñador incorporando el concepto de manufactura digital.

Figura 4: Método de diseño propuesto

Etapa de aplicación

La última etapa especificada como aplicación (ejecución) está conformada por tres fases, primero el modelo obtenido en CAD se somete a un análisis de CAE a través de un estudio de simulación, el cual, dependiendo de las características de uso de la pieza puede ser estático, térmica, pandeo, caída, fatiga o dinámico lineal y no lineal para determinar y predecir su comportamiento con base en su geometría, el material seleccionado y sus propiedades mecánicas.

En la fase de fabricación, si el modelo se fabrica con impresión 3D, se aplicara manufactura aditiva directamente, por lo que solo se debe generar el archivo STL correspondiente. Si es por código CNC o por algún otro proceso que implique sustraer o cambiar la forma del material como moldeo por inyección, forja o conformado, es posible realizar un análisis previo aplicando CAM para su verificación antes de una eventual fabricación, finalizando con la generación de información digital pertinente y necesaria (archivos y carpetas) que servirán de retroalimentación y mejora continua en el caso de que se requiera información o actualización para otros proyectos.

De acuerdo con esta propuesta, la técnica de captura, el modelado y digitalización, simulación y fabricación conforman el concepto de manufactura digital en el método de diseño, siendo un factor relevante en la percepción actual de industria 4.0, la cual se presenta en la Figura 5.

Figura 5: Manufactura digital en la industria 4.0.

Ejemplo de implementación del método en la realidad

Se plantea el diseño y fabricación de la placa metálica mostrada en la Figura 6. Las fases a seguir de acuerdo con el método propuesto se presentan con detalle a continuación.

Figura 6: Pieza modelo en sus vistas frontal y posterior.

Desarrollo

• Técnica de captura.

La captura de la geometría del modelo se realiza de forma manual por medio de un escáner Handy Scan Laser 3D, con la capacidad de recabar la configuración física del modelo para generar una nube de puntos o mallas relativas a la pieza (nurbs). La nube de puntos obtenida y su captura en la plataforma se muestran en la Figura 7. En la modelo se observan imperfecciones, las cuales deben ser corregidas en la siguiente fase.

Figura 7: Nube de puntos y modelo capturado.

• Modelado y digitalización.

Para modelar, digitalizar y perfeccionar la pieza en 3D se utiliza software especializado en reconstrucción digital, por ejemplo, Rapidform XOR3, el cual contiene una plataforma avanzada para crear sólidos y superficies 3D a partir de datos escaneados, con buenas capacidades en lo que se refiere al modelado basado en características y con la capacidad de generar archivos IGS (siglas del inglés Initial Graphics Exchange Specification), desde donde se facilite la exportación del modelo a otra plataforma de CAD para complementar su digitalizado.

Tomando como base la captura realizada, en esta fase el modelo pasa por un proceso de corrección digital. En la Figura 8 se muestra el perfeccionamiento de la nurb para su modelado 3D.

Figura 8: Modelo corregido y suavizado.

La digitalización de la pieza queda completa cuando se pasa de nurb a superficie. Posteriormente, se analiza y determina su precisión a través de una muestra de desviación entre la superficie diseñada y la nube de puntos capturada. La Figura 9 muestra el resultado con una precisión establecida de ± 0.1 mm

Figura 9: Superficie generada y análisis de desviación.

Se observa que la superficie generada sobre el nurb reparado se encuentra dentro de los límites establecidos identificados por un código de colores, lo que garantiza que la superficie creada es aceptable para exportarla, complementarla y detallarla en un entorno de CAD. La Figura 10 muestra ya el resultado final en un ambiente 3D de SolidWorks.

Figura 10: Modelo final en CAD.

Aplicación

• Simulación

Debido a que los requerimientos son que el material sea más ligero, se utilizará ABS-M30 termoplástico industrial con nivel de producción, el cual se usa principalmente para modelos conceptuales y prototipos funcionales en impresión 3D, pues al ser un material dúctil también es ideal para etapas de pos-proceso (taladros, pintura, etc.) ^[44]. Posteriormente, el modelo en CAD obtenido se someterá a un análisis estático para determinar su comportamiento.

Este análisis se realizó en SolidWorks Simulation, considerando un espesor de 3 mm en la geometría de la pieza (medida obtenida del modelo original) y estableciendo los puntos de referencia para las restricciones, como son la geometría fija y la zona donde se aplicará la carga de 100 Kg, que será de forma distribuida. En la Figura 11 y la Figura 12 se presentan ambas configuraciones.

Figura 11: Configuración de la geometría fija.

Figura 12: Configuración de la carga aplicada.

El análisis estático comprende los resultados del esfuerzo de von Mises, los desplazamientos y el factor de seguridad, tal como se muestran en la Figura 13, la Figura 14 y la Figura 15 respectivamente.

Figura 13: Resultados del esfuerzo de von Mises.

Figura 14: Resultados de desplazamientos

Figura 15: Resultados del factor de seguridad.

Los resultados del análisis estático demuestran que la pieza es segura al presentar un esfuerzo de von Mises menor que el límite elástico del material, lo que se refleja en un factor de seguridad superior a 1.0, que es un indicativo de que el modelo es confiable ^[35].

• Fabricación

Con la información obtenida se procede a la impresión del modelo en 3D, esta se llevará a cabo en una impresora Robo R2 tipo FDM, material ABS. El resultado obtenido se muestra en la Figura 16 y la Figura 17.

Figura 16: Configuración de la impresora 3D.

Figura 17: Modelo impreso

• Documentación.

Finalmente, la documentación necesaria para una producción eventual del modelo queda determinada y resguardada en formato digital como se explicita a continuación.

• Formato STL: por si existe la necesidad de modificar la nube de puntos del modelo original.

• Formato IGES: para exportar la información en cualquier plataforma de CAD.

• Formato SLDPRT: formato CAD de SolidWorks para su modelado en 3D.

• Carpeta de simulación: con todos los archivos generados por el estudio estático en Solid-Works Simulation.

• Formato STL: para su impresión 3D.