Gemelos digitales: Una guía para los fabricantes

A medida que la adopción del Internet de las cosas (IoT) en entornos industriales ha ido aumentando en los entornos de fabricación a lo largo de los años junto con los sistemas de fabricación inteligente, las empresas han buscado cada vez más aprovechar estas herramientas para mejorar la forma en que operan, así como para mejorar la productividad y la eficiencia.

Una tendencia que ha ido en aumento en los últimos años es el uso de gemelos digitales para conectar objetos físicos en un entorno de fabricación con sistemas digitales para ayudar a aumentar y mejorar la forma en que se desarrollan los productos. Según Deloitte, se prevé que la inversión en tecnología de gemelos digitales crezca hasta los 16.000 millones de dólares en 2023.

En este post, exploraremos la historia de los gemelos digitales, cómo se han adoptado en las industrias manufactureras y los beneficios que proporcionan a las empresas en lo que se refiere a impulsar la mejora continua.

Un gemelo digital es una representación o modelo dinámico y virtual de una pieza, objeto, máquina o incluso de todo un proceso de producción. Consiste en el propio objeto físico, la representación virtual del objeto y la funcionalidad conectiva que permite que los datos pasen de un lado a otro entre el objeto físico y el virtual.

Dada su funcionalidad interactiva y dinámica, un gemelo digital va más allá de un simple plano digital e incluye todos los elementos y la dinámica de cómo existe y funciona un objeto en el mundo real.

Esto ofrece a los humanos la posibilidad de ver cómo respondería un objeto físico en distintas condiciones y circunstancias, aprovechando los datos en tiempo real del mundo físico, pero en un entorno virtual.

Para recopilar datos, los gemelos digitales utilizan una combinación de realidad virtual y aumentada para visualizar objetos, así como dispositivos y sensores IoT para recopilar datos del entorno en el que existe el entorno físico. Esto garantiza que el gemelo digital represente con precisión un objeto o un proceso en un momento dado en la planta de producción.

Gracias a estas características, un gemelo digital utilizado en un entorno de fabricación puede aplicarse a un único componente crítico o a una máquina entera. En un uso más ampliado, la tecnología también puede utilizarse para trazar y vigilar toda una línea de producción e incluso las operaciones de producción en su conjunto.

El concepto de gemelos digitales se introdujo por primera vez en el libro de 1991 Mirror Worlds, escrito por David Gelernter. En él, describe los "Mundos Espejo" como muñecos vudú de alta tecnología, representaciones digitales de entornos físicos a gran escala (escuelas, hospitales, ciudades) que pueden manipularse e interactuar con un ordenador de sobremesa.

Aunque los escritos de Gelernter eran en gran medida especulativos, pronosticando lo que podría venir en un futuro lejano, los tecnólogos no tardaron en empezar a aplicar el concepto de forma muy real. Por ejemplo, en 2002, el Dr. Michael Grieves empezó a encontrar formas de aplicar la tecnología de forma práctica en la industria manufacturera, desarrollando un modelo que aplicaba todos los elementos de un gemelo digital a un caso de uso de gestión del ciclo de vida del producto.

El nombre "gemelo digital" fue acuñado en 2010 por John Vickers en un informe de la NASA titulado Área tecnológica 12: Materiales, estructuras, sistemas mecánicos y hoja de ruta de fabricación. Desde entonces, se ha aplicado en innumerables industrias diferentes, permitiendo a los seres humanos interactuar con productos y entornos físicos utilizando un medio digital sin fisuras.

Uno de los ejemplos más comunes para explicar el concepto de gemelo digital es una turbina eólica. Las turbinas eólicas pueden utilizarse en distintos entornos, tanto en tierra como en alta mar, en una gran variedad de climas, temperaturas, condiciones meteorológicas, etc.

Esto supone un reto importante para las empresas energéticas que intentan proyectar cuánta energía es capaz de producir un aerogenerador determinado, dada la importante variabilidad del entorno físico en el que se coloca la turbina.

Para que la empresa energética pueda proyectar con mayor precisión cómo funcionará una turbina en función del entorno en el que se coloque, puede plantearse construir un gemelo digital que le permita recoger datos en tiempo real de los sensores colocados en la turbina física, introducir los datos en una réplica digital de la turbina y ejecutar varios modelos diferentes de inteligencia artificial para probar las distintas condiciones a las que puede estar expuesta la turbina.

Esto crea una previsión mucho más precisa de la funcionalidad y la producción de la turbina durante un periodo de tiempo determinado.

Este mismo concepto puede aplicarse a cualquier número de productos físicos, proporcionando a los fabricantes una forma más precisa de predecir cómo funcionarán sus productos teniendo en cuenta los diferentes entornos y condiciones a los que pueden estar expuestos.

Las distintas operaciones de fabricación tienen diversos requisitos y sistemas específicos para sus procesos de producción. Por esta razón, los fabricantes pueden aplicar la tecnología de gemelos digitales de cualquier número de formas distintas, dando lugar a resultados diferentes y exclusivos de esa entidad de producción.

He aquí algunas formas en que los fabricantes aprovechan la tecnología de gemelos digitales para mejorar sus operaciones.

Pruebas y evaluación de prototipos: Las empresas que utilizan técnicas de fabricación innovadoras eligen los gemelos digitales en lugar de los prototipos físicos. Los primeros pueden manipularse más fácilmente para incluir cambios y rectificaciones, lo que convierte el diseño y la mejora del producto en un proceso más eficaz. La integración con otros sistemas también garantiza que los procesos de prueba y evaluación se basen en datos correctos y precisos.

Mejorar los diseños de los sistemas de producción: Las aplicaciones de los gemelos digitales van más allá de los productos singulares. También incluyen sistemas de producción completos.

Los fabricantes utilizan los gemelos digitales para analizar los sistemas y diseños propuestos para las líneas de producción, lo que permite al personal clave tener una visión más clara antes de que comience la instalación. Por ejemplo, los fabricantes pueden utilizar los datos extraídos de los gemelos digitales para realizar simulaciones de la línea de producción con el fin de identificar y rectificar cualquier posible fallo del sistema.

Además, los fabricantes utilizan sistemas digitales para tener una visión optimizada de los procesos fuera de la fábrica, incluidas las cadenas de suministro y entrega.

Supervisión de equipos y mantenimiento preventivo: Esta tecnología se aplica ampliamente a los equipos en la planta de producción. Los gemelos digitales de las máquinas ofrecen un equivalente virtual preciso en tiempo real, proporcionando al personal de mantenimiento parámetros que detallan la salud y el rendimiento de los equipos.

Con la IA y la capacidad de aprendizaje automático de la Industria 4.0, los gemelos digitales pueden señalar fallos inminentes, permitiendo a los fabricantes adelantarse a ellos.

El personal de mantenimiento puede entonces utilizar gafas de realidad aumentada para visualizar los modelos precisos colocados sobre la máquina real en el suelo. Esto proporciona una forma y unas especificaciones precisas en las que el técnico puede basar su trabajo.

A medida que avanza la cuarta revolución industrial, las fábricas inteligentes adoptan cada vez más tecnología para que sus operaciones de producción resulten más rentables. La tecnología de gemelos digitales es un enfoque que aporta numerosas ventajas a estas empresas manufactureras.

Estos beneficios incluyen:

• Mayor eficacia de la producción: Las simulaciones de líneas de producción realizadas mediante gemelos digitales identifican posibles cuellos de botella en la operación, lo que permite a los fabricantes optimizar su sistema para mejorar la productividad y la eficiencia de la producción.

• Mejora de la eficacia general de los equipos: Los fabricantes utilizan gemelos digitales para la gestión del ciclo de vida de sus activos. El enfoque de supervisión constante en tiempo real les permite adelantarse a las averías de los equipos facilitando el mantenimiento predictivo.

• Mejora de la calidad del producto: Los gemelos digitales desempeñan un papel importante en el diseño y la creación de prototipos de productos. La tecnología proporciona información detallada que permite a los fabricantes elaborar productos ideales para sus clientes y mejorar las prácticas de gestión de la calidad.

• Una gestión logística más eficaz: El uso de gemelos digitales para planificar y supervisar toda la operación proporciona información sobre el proceso de producción global de la empresa. Esto proporciona a los fabricantes un control mejor y más eficiente de las cadenas de suministro y entrega.

• Mejora general de la rentabilidad empresarial: Estos beneficios se reducen a una mejora de la rentabilidad del negocio de fabricación. La empresa gasta menos en operaciones de reparación y reacondicionamiento y además satisface a sus clientes con mejores productos y cumplimiento de los pedidos.

Aunque el concepto de gemelos digitales puede parecer desalentador y complicado, la tecnología puede aplicarse a una serie de casos de uso diferentes con beneficios realmente significativos para los fabricantes. Y aunque hace poco que esta tecnología se está adoptando de forma más generalizada en toda la industria, se prevé que la funcionalidad de los gemelos digitales se convierta en una característica estándar en aproximadamente el 88% de las plataformas IoT para 2025.

A medida que la tecnología se vuelve más ampliamente disponible, tiene sentido que las empresas entiendan cómo proceder para construir gemelos digitales que apoyen sus operaciones. He aquí algunas recomendaciones de expertos del sector:

1. Defina claramente el propósito y el alcance del proyecto - ¿Qué planea reflejar con su gemelo digital? ¿Cómo repercutirá la tecnología en su forma de hacer negocios actual? Comprender el propósito de la implantación de cualquier tecnología y comunicar claramente las expectativas a las partes interesadas clave es una práctica importante en cualquier proyecto a gran escala.

2. Comprender las herramientas necesarias para el proyecto - Construir un gemelo digital requiere una amplia gama de software y hardware diferentes para crear un modelo preciso y en tiempo real con el que se pueda interactuar. El equipo puede incluir cualquier número de dispositivos IoT , sensores y monitores, y el software puede incluir soluciones CAD en 3D para diseñar el modelo, así como plataformas IoT para mostrar el gemelo real en sí. Comprender la aplicación real de su gemelo digital le ayudará a informarse sobre los diferentes equipos y soluciones que necesitará para completar su proyecto.

He aquí cómo hacerlo:

1. Utilice soluciones digitales de diseño asistido por ordenador (CAD) para crear réplicas gemelas virtuales en 3D que puedan conectarse a otras herramientas digitales de operaciones de fabricación.

2. Las herramientas de fabricación digital aprovechan el Internet de las cosas para extraer datos de los equipos de la planta e introducirlos en el software del gemelo digital en tiempo real.

3. Este software, conocido como motor de juego, renderiza los datos y aplica una física avanzada para proporcionar un gemelo digital comprensible que refleje las entradas de IoT en tiempo real.

4. El software de gemelos digitales elegido debe tener funciones de control de versiones. Esto sincroniza todas las modificaciones del gemelo digital, proporcionando al personal autorizado acceso al mismo archivo actualizado.

Además de los gemelos digitales, los fabricantes buscan constantemente nuevas oportunidades para impulsar la mejora continua en sus operaciones.

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