La fabricación digital es un enfoque integrado de la fabricación que se centra en un sistema informático. [1] [ cita requerida ] La transición a la fabricación digital se ha vuelto más popular con el aumento de la cantidad y la calidad de los sistemas informáticos en las plantas de fabricación. A medida que se han utilizado más herramientas automatizadas en las plantas de fabricación, se ha vuelto necesario modelar, simular y analizar todas las máquinas, herramientas y materiales de entrada para optimizar el proceso de fabricación. [2] En general, se puede ver que la fabricación digital comparte los mismos objetivos que la fabricación integrada por computadora (CIM), la fabricación flexible , la fabricación ajustada y el diseño para la fabricación (DFM). La principal diferencia es que la fabricación digital evolucionó para su uso en el mundo informatizado.
Como parte de Manufacturing USA , el Congreso y el Departamento de Defensa de EE. UU. establecieron MxD (Manufacturing x Digital), el instituto de fabricación digital del país, para acelerar la adopción de estas herramientas digitales.
Modelado tridimensional
Los ingenieros de fabricación utilizan software de modelado 3D para diseñar las herramientas y la maquinaria necesarias para las aplicaciones previstas. El software les permite diseñar la distribución de la planta de producción y el flujo de producción. Esta técnica permite a los ingenieros analizar los procesos de fabricación actuales y buscar formas de aumentar la eficiencia de la producción incluso antes de que comience.
Simulación
La simulación se puede utilizar para modelar y probar el comportamiento de un sistema. La simulación también proporciona a los ingenieros una herramienta para realizar análisis económicos, rápidos y seguros para probar cómo los cambios en un sistema pueden afectar el rendimiento de ese sistema. [3]
Robcad es un software popular que se utiliza en la fabricación digital. Se pueden crear y simular modelos de maquinaria automatizada y líneas de producción en tiempo real.
Estos modelos se pueden clasificar en los siguientes: [3]
Estático - Sistema de ecuaciones en un punto en el tiempo
Dinámica - Sistema de ecuaciones que incorporan el tiempo como variable
Continuo - Modelo dinámico donde el tiempo pasa linealmente
Discreto: modelo dinámico donde el tiempo se divide en partes
Determinista: modelos en los que se genera una solución única para una entrada determinada.
Estocástico: modelos en los que se genera una solución utilizando parámetros probabilísticos.
Las aplicaciones de la simulación se pueden asignar a: [3]
Diseño de productos (por ejemplo, realidad virtual)
Diseño de procesos (por ejemplo, asistencia en el diseño de procesos de fabricación)
Planificación de recursos empresariales
Análisis
Los sistemas de fabricación digital suelen incorporar capacidades de optimización para reducir el tiempo y los costos y mejorar la eficiencia de la mayoría de los procesos. Estos sistemas mejoran la optimización de los cronogramas de planta, la planificación de la producción y la toma de decisiones. El sistema analiza la retroalimentación de la producción, como las desviaciones o los problemas en el sistema de fabricación, y genera soluciones para manejarlos. [4]
Además, muchas tecnologías analizan datos de simulaciones para calcular un diseño óptimo incluso antes de construirlo. [5]
El impacto de estos sistemas en la fuerza laboral de la industria manufacturera continúa siendo objeto de debate. Los modelos econométricos han determinado que cada robot recién instalado desplaza a 1,6 trabajadores de la industria manufacturera en promedio. Esos modelos también han pronosticado que para 2030, hasta 20 millones de empleos adicionales en la industria manufacturera en todo el mundo podrían verse desplazados debido a la robotización. [6]
Sin embargo, otras investigaciones han encontrado evidencia, no de pérdidas de empleos, sino de una brecha de habilidades. [7] La fabricación digital está creando cientos de nuevos empleos de fabricación centrados en datos (roles como "técnico en robótica colaborativa" y "especialista en sistemas de mantenimiento predictivo"), pero no hay suficientes trabajadores disponibles con las habilidades y la capacitación necesarias para cubrirlos. [8]
Herramientas y procesos
Existen muchos procesos de fabricación digital que utilizan herramientas diferentes. Sin embargo, cada proceso de fabricación digital implica el uso de máquinas de control numérico computarizado ( CNC ). Esta tecnología es crucial en la fabricación digital, ya que no solo permite la producción en masa y la flexibilidad, sino que también proporciona un vínculo entre un modelo CAD y la producción. [9] Las dos categorías principales de herramientas CNC son aditivas y sustractivas. Recientemente se han producido grandes avances en la fabricación aditiva y están a la vanguardia de la fabricación digital. Estos procesos permiten que las máquinas aborden cada elemento de una pieza sin importar la complejidad de su forma. [4]
Ejemplos de herramientas y procesos aditivos
Ejemplo de proceso de fabricación de objetos laminados Fabricación de objetos laminados: dibujo de principio. 1 Rollo de suministro. 2 Rollo laminado calentado. 3 Rayo de corte láser. 4 Dispositivo de dirección de prisma. 5 Láser. 6 Forma laminada. 7 Mesa móvil. 8 Rollo de desecho (con formas recortadas).
Estereolitografía : en este proceso, las piezas sólidas se forman solidificando capas de un fotopolímero con luz ultravioleta. Existe una amplia gama de acrílicos y epoxis que se utilizan en este proceso. [10]
Procesamiento por inyección de tinta : aunque el proceso de inyección de tinta más utilizado se utiliza para imprimir en papel, existen muchos otros que se aplican en ingeniería. Este proceso implica que un cabezal de impresión deposite capas de material líquido sobre un polvo de relleno con la forma del objeto deseado. Una vez que el polvo está saturado, se agrega una nueva capa de polvo continuamente hasta que se construye el objeto. Otro proceso de deposición de gotas de material menos conocido utiliza un material de construcción y soporte para producir un modelo 3D. El material de construcción es termoplástico y el material de soporte es cera. La cera se derrite después de que se imprime el modelo en capas. Otra técnica similar utiliza la fabricación basada en gotas (DBM) para construir modelos termoplásticos sin soporte con posicionamiento de gotas de 5 ejes [11].
Sinterización y fusión por láser : este proceso utiliza el calor producido por láseres infrarrojos para unir un material en polvo y formar una forma sólida.
Curado en suelo sólido : se extiende una capa de fotopolímero líquido sobre una plataforma. Se genera una máscara óptica y se coloca sobre el polímero. Una lámpara UV cura la resina que no está bloqueada por la máscara. Se elimina cualquier líquido restante y los espacios vacíos se rellenan con cera. Se extiende resina líquida sobre la capa que se acaba de producir y se repite el proceso. Cuando la pieza está terminada, se puede derretir la cera de los espacios vacíos.
Fabricación de objetos laminados : se coloca una lámina de material sobre una plataforma y un láser corta el contorno deseado. La plataforma se baja una lámina de espesor y se coloca una nueva lámina con una capa de adhesivo térmico entre las dos láminas. Un rodillo calentado presiona las láminas entre sí y activa el adhesivo. El láser corta los contornos de esta capa y se repite el proceso. Cuando la pieza está terminada, se debe retirar el material sobrante de la lámina alrededor del perímetro de la pieza. La pieza final se recubre con sellador. [10]
Fabricación con filamento fundido : la FFF es la forma de impresión 3D más utilizada. El material termoplástico se calienta justo por encima de la solidificación y se extruye sobre una plataforma con la forma deseada. La plataforma se baja y la siguiente capa se extruye sobre la capa anterior. El proceso se repite hasta que la pieza esté completa. [10]
Ejemplos de herramientas y procesos sustractivos
Una cortadora de chorro de agua CNC es un ejemplo de los tipos de herramientas controladas por computadora que son esenciales para la fabricación digital.
Corte por chorro de agua : un cortador por chorro de agua es una herramienta CNC que utiliza un chorro de agua a alta presión, a menudo mezclado con un material abrasivo, para cortar formas o patrones de muchos tipos de materiales.
Fresado : una fresadora CNC utiliza una herramienta de corte rotatoria para eliminar material de una pieza de material. El fresado se puede realizar en la mayoría de los metales, muchos plásticos y todo tipo de madera.
Torno : un torno CNC elimina material girando la pieza de trabajo mientras una herramienta de corte estacionaria entra en contacto con el material.
Corte por láser : un cortador láser es una herramienta CNC que utiliza un haz láser enfocado para cortar y grabar material en láminas. El corte se puede realizar en plásticos, maderas y, en máquinas de mayor potencia, en metales. Recientemente, los cortadores láser de CO2 asequibles se han vuelto populares entre los aficionados.
Beneficios
Optimización de un proceso de fabricación de piezas. Esto se puede hacer modificando y/o creando procedimientos dentro de un entorno virtual y controlado. De esta manera, se puede probar el uso de nuevos sistemas robóticos o automatizados en el proceso de fabricación antes de implementarlos físicamente. [2]
La fabricación digital permite crear virtualmente todo el proceso de fabricación antes de implementarlo físicamente. Esto permite a los diseñadores ver los resultados de su proceso antes de invertir tiempo y dinero en la creación de la planta física. [2]
Los efectos causados por el cambio de máquinas o procesos de fabricación de herramientas se pueden ver en tiempo real, lo que permite obtener información de análisis para cualquier pieza individual en cualquier momento deseado durante el proceso de fabricación. [2]
Tipos
Bajo demanda
Fabricación aditiva : la fabricación aditiva es el "proceso de unir materiales para crear objetos a partir de datos de modelos 3D, generalmente capa sobre capa". [12] La fabricación aditiva digital está altamente automatizada, lo que significa menos horas de trabajo y utilización de máquinas, y por lo tanto, menores costos. [13] Al incorporar datos de modelos de fuentes abiertas digitalizadas, los productos se pueden producir de manera rápida, eficiente y económica. [14]
Fabricación rápida: al igual que la fabricación aditiva, la fabricación rápida utiliza modelos digitales para producir rápidamente un producto que puede tener formas complicadas y una composición de materiales heterogénea. La fabricación rápida utiliza no solo el proceso de información digital, sino también el proceso físico digital. La información digital rige el proceso físico de agregar material capa por capa hasta que el producto esté completo. Tanto la información como los procesos físicos son necesarios para que la fabricación rápida sea flexible en diseño, económica y eficiente. [15]
Diseño y fabricación basados en la nube
El diseño basado en la nube (CBD, por sus siglas en inglés) se refiere a un modelo que incorpora sitios de redes sociales, computación en la nube y otras tecnologías web para ayudar en los servicios de diseño en la nube. Este tipo de sistema debe estar basado en la computación en la nube, ser accesible desde dispositivos móviles y debe poder administrar información compleja. Autodesk Fusion 360 es un ejemplo de CBD. [16]
La fabricación basada en la nube (CBM) se refiere a un modelo que utiliza el acceso a información abierta de varios recursos para desarrollar líneas de producción reconfigurables para mejorar la eficiencia, reducir costos y mejorar la respuesta a las necesidades del cliente. [16] Varias plataformas de fabricación en línea [17] permiten a los usuarios cargar sus archivos 3D para el análisis y la fabricación de DFM.
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