Mecanizado en vivo presenta el concepto del gemelo digital en acción

Si se ha preguntado qué significa gemelo digital en manufactura y lo que promete para mecanizar partes complejas, una exitosa demostración de este concepto se presentó en el International Manufacturing Technology Show (IMTS) el pasado septiembre en Chicago, Illinois. Llamada el “Gran Desafío”, la demostración fue diseñada para probar que la tecnología digital de hoy les permite a los fabricantes usar modelos generados por computadoraa para producir una parte, inspeccionarla y verificar que cumple todas las especificaciones y requerimientos, incluso cuando hay porciones del proceso de producción que son manejadas por diferentes proveedores usando equipos diferentes. Si se mostró que este concepto funciona en IMTS, funcionaría igualmente bien para talleres y fabricantes en campo, dicen los patrocinadores de la demostración.

Debido a que estos modelos de computadora sirven como gemelos digitales para el proceso completo de manufactura, es factible usarlos para replicar alistamientos o mover trabajo en proceso más fácilmente de proveedor a proveedor, mientras se mantiene la precisión y consistencia de la producción. Esta capacidad daría a los contratistas principales y a su base de competentes proveedores de partes mecanizadas mayor flexibilidad, colaboración más sencilla y menos cuellos de botellas que interfieran con el flujo de la cadena de suministro. Es significativo que esta demostración tuvo la ventaja de usar estándares de manufactura existentes y bien establecidos para la intercambiabilidad e interoperabilidad, tales como los componentes de datos de modelo del Estándar para Intercambio de Productos (STEP), el vocabulario semántico para dispositivos de manufactura MTConnect y el estándar de metrología Formato de Información de Calidad (QIF).

Sobre la demostración

El Gran Desafío fue patrocinado por el grupo de trabajo de manufactura de la Organización para la Automatización de Máquina y Control (OMAC) y el grupo de trabajo TC184/SC4/WG15 de la Organización de Estándares Internacionales (ISO), el cual está involucrado en el desarrollo y soporte de los estándares de datos de manufactura STEP. El esfuerzo fue liderado por el Dr. Martin Hardwick de STEP Tools Inc. (Troy, Nueva York) y Rensselear Polytechnic Institute. Aunque muchos otros proveedores y usuarios de tecnología han estado involucrados en los esfuerzos del hilo digital y gemelo digital durante años, los principales participantes en el Gran Reto fueron los fabricantes de máquinas-herramientas DMG MORI y Hyundai WIA, las compañías de metrología Renishaw y Mitutoyo, el proveedor de herramientas de corte  Sandvik Coromant, así como Boeing representando a la comunidad de usuario final. 

Para la demostración, Airbus desarrolló una parte aeroespacial de prueba de cinco ejes. Boeing añadió luego las llamadas de dimensionamiento y tolerancias geométricos (GD&T) y creó un proceso base, que incluyó definición del material, requerimientos de la herramienta de corte y cuatro “modelos de etapa”, cada uno con definición de los resultados de las operaciones de desbaste y acabado en tres y cinco ejes. Toda esta información fue traducida a un solo archivo STEP sin propiedad y enviado a DMG MORI y a Hyundai WIA. Actuando como representantes para los talleres en campo, ambas compañías desarrollaron procesos de manufactura optimizados para algunos de los centros de mecanizado que ellos tenían en sus stands de IMTS. Durante la exhibición, cada compañía mecanizó la parte de prueba y verificó que cumplía todas las tolerancias dimensionales y especificaciones después de cada operación.

Un aspecto clave de la demostración fue mostrar cómo dos fabricantes (representados por DMG MORI y Hyundai WIA) podían compartir un trabajo de producción entre ellos sin perder eficiencia o efectividad, un resultado que es altamente deseable en el mundo real, pero a menudo difícil de lograr. El procesamiento de parte fue dividido en dos pasos. Los dos fabricantes de máquinas-herramienta desarrollaron alternadamente las operaciones de desbaste en un centro de mecanizado en sus stands, luego enviaron los resultados digitales al otro para el mecanizado de acabado y el sondeo de la parte en la máquina. El alternar las operaciones asignadas resaltó la fortaleza del formato de datos digitales (STEP y las tecnologías de programación asociadas) y el proceso de comunicación usando MTConnect. Así, las dos compañías fueron capaces de mostrar cómo una podía continuar donde la otra había terminado y seguir produciendo una parte en la cual los datos de programa y los criterios de inspección no retrocedieron.

Aunque la producción de componentes en diferentes ubicaciones no es nada nuevo, la manera en la cual esto se realizó, usando conceptos de hilo digital y gemelo digital, revela las ganancias actuales y potenciales en eficiencia y flexibilidad. Por ejemplo, debido a que las herramientas de corte fueron definidas usando el formato ISO 13399, su adquisición y uso fue simplificado. Como resultado, Sandvik Coromant fue capaz de proveer hojas de alistamiento generadas automáticamente. Los modelos de herramientas de corte 3D también fueron incluidos en el archivo STEP para importar en los diferentes sistemas CAM que usaron DMG MORI y Hyundai WIA. Al tener toda esta información en un formato estándar fue posible la creación de un gemelo digital de la parte mientras estaba siendo mecanizado. La creación real del gemelo digital usó software de STEP Tools y una conexión MTConnect para los controles Siemens 840D de las máquinas-herramienta. Durante el mecanizado, el movimiento del eje fue simulado y combinado con los datos STEP, creando el gemelo digital. Los observadores observaron el mecanizado del gemelo digital junto con el mecanizado de la parte física y vieron que los cambios en el proceso físico, tales como las diferentes anulaciones de la tasa de avance, fueron reflejados en el gemelo digital.

Durante el proceso de manufactura, la parte fue inspeccionada en cada máquina usando una sonda de contacto de Renishaw. De nuevo, esto no es nada nuevo, pero la manera en la cual fueron desarrolladas las funciones de sondeo y lo que se hizo con los datos resultantes mostró la flexibilidad y utilidad del gemelo digital. Debido a que la información GD&T fue definida en el archivo STEP y se vinculó directamente a la geometría, no fue necesario transferir manualmente esta misma información al programa de CN, y la funcionalidad estuvo disponible para ayudar a definir el proceso de inspección. De igual forma, debido a que los requerimientos GD&T y el proceso de inspección estaban vinculados a las características de diseño, los resultados del sondeo podían estar fácilmente vinculados a la geometría relevante. El resultado fue la fusión de los resultados del sondeo con el gemelo digital. Aquí, nuevamente, los observadores pudieron ver esto ocurriendo en tiempo real. El gemelo digital mostró no sólo valores numéricos, sino que también ofreció códigos de colores de las características para demostrar qué tan cerca estaba la parte mecanizada de las dimensiones nominales.

La naturaleza intuitiva de la representación gráfica de los resultados de inspección fue demostrada aún más a través de QIF, el nuevo estándar que soporta los conceptos de hilo digital y gemelo digital, que fue desarrollada por el Consorcio de Estándares de Metrología Digital como un reemplazo del estándar de interfaz de medición dimensional (DMIS), un antiguo estándar para intercambiar datos de metrología. En la demostración, se generó automáticamente una representación QIF de los resultados de inspección, se fusionó con el gemelo digital y fue usado por Mitutoyo para validar la precisión del gemelo digital medido durante la inspección en máquina, así como para confirmar resultados usando una máquina de medición por coordenadas. De nuevo, se demostró que el proceso fue más sencillo e intuitivo al usar formatos de datos estándar y al tener información GD&T vinculada a la geometría real.

Además, la demostración presentó un escenario en el cual, durante el mecanizado, el gemelo digital podía ser compartido de forma remota a través de conexiones seguras de internet. Así, los resultados del mecanizado podían ser monitoreados y analizados en tiempo real. Por ejemplo, si las mediciones hechas en el modelo virtual indicaban que las tolerancias no se estaban cumpliendo, podía enviarse una alerta al operario de la máquina para el ajuste. De la misma forma, debido a que los datos embebidos en el gemelo digital están vinculados completamente a las características de la parte, pueden analizarse aún más para monitorear los procesos y mejorarlos.

Responder a preguntas críticas

Según el Dr. Hardwick, el éxito de la demostración dependió de STEP, MTConnect y QIF trabajando juntos para aplicar la tecnología de gemelo digital a la producción de la parte. STEP es esencial para describir los datos del modelo en un formato interpretable por los CNCs, permitiendo describir los patrones de herramientas con las dimensiones y tolerancias que deben cumplirse en los resultados del mecanizado, dice él. MTConnect permite que las coordenadas de la máquina-herramienta sean reproducidas en tiempo real y compartidas en un formato digital para producir un registro de lo que la máquina estaba haciendo durante la ejecución de los comandos del patrón de herramientas. De forma similar, QIF permite reportar y compartir los resultados de las evaluaciones de calidad. El Dr. Hardwick dice que QIF complementa MTConnect al permitir rastrear las causas de una condición fuera de tolerancia hasta su efecto.

Para enfatizar en la importancia de estos tres estándares, el Dr. Hardwick explica que, juntos, permiten la meta de “construirlo aquí, construirlo ahora y construirlo bien”. “Construir aquí”, dice él, “significa ser capaz de hacer una parte en el recurso de mecanizado local gracias a la interoperabilidad. Construirlo ahora significa ser capaz de hacer una parte sin retrasos o dudas gracias a la capacidad de simulación en la máquina y verificación. Construirlo bien significa ser capaz de hacer una parte correctamente y según especificación gracias a que los sistemas de metrología dan retroalimentación inmediata”.

En otras palabras, en cada paso del proceso, tiene que haber un ajuste casi perfecto entre el real y el ideal, dice él. Es decir, un ajuste entre los objetos físicos y sus contrapartes digitales. Para el mecanizado, esto significa que lo que es real en los modelos de computadora virtuales será real en la pieza de trabajo.

“Este es el valor del gemelo digital”, afirma el Dr. Hardwick. “Ahora la velocidad, portabilidad, poder analítico y capacidad de mantener registros de la tecnología de computadoras converge con la realidad física. Si usted entiende este punto, el concepto de la manufactura con gemelo digital tiene sentido y se convierte en una razón convincente para acogerlo como un enfoque de fabricación de partes”.

Sin embargo, hay necesidad de un mayor desarrollo y aceptación de la tecnología subyacente demostrada en IMTS, añade él. Por ejemplo, los fabricantes de CNC y los desarrolladores de software CAM deben continuar creando interfaces que soporten de forma más completa la interpretación de modelos STEP. Además, los estándares MTConnect y QIF tienen que formalizar ya todas las definiciones de vocabulario y etiquetas de datos, especialmente en áreas que aseguran la compatibilidad del mecanizado y las expectativas de la medición.

Un equipo de rivales

Aunque los patrocinadores de la demostración dicen que el Gran Desafío cumplió todos sus objetivos, también representó otro logro que no se debe subestimar. La demostración representó la extraordinaria cooperación y esfuerzo entre los participantes. Como dice un representante de una compañía participante, David Odendahl, miembro técnico asociado de Boeing Production Engineering, “La parte de prueba fue diseñada por Airbus, programada por Boeing, mecanizada por DMG MORI y Hyundai WIA, e inspeccionada con sistemas de medición de Renishaw y Mitutoyo. Estas compañías están frecuentemente en situaciones de competencia, pero trabajaron hombro a hombro en este proyecto para un propósito común”.

La importancia del Gran Desafío también fue confirmada por los juicios de los participantes. James Nudo, presidente de DMG MORI USA dice: “El gemelo digital acelera y estabiliza todos los procesos del cliente. Produce un componente virtual paralelo a la máquina real. Esta combinación de información de los mundos real y virtual es un paso decisivo para DMG MORI y nuestros clientes, para incrementar la calidad de la planeación y la velocidad en el taller. Nuestros clientes están entusiasmados con la ingeniería digital, especialmente por la trazabilidad directa de información en tiempo real y la visualización de la calidad del componente”.

Lo más importante para la comunidad de manufactura es que la demostración presentó un caso poderoso para trabajar hacia un mejor entendimiento del concepto de mecanizado con gemelo digital, así como dar pasos para su implementación.