Resumen ejecutivoLos fabricantes de maquinaria están adquiriendo una ventaja competitiva gracias a la aplicación de un enfoque del hilo digital que permite un rápido desarrollo de las máquinas altamente complejas del futuro. Estas innovaciones en tecnología están logrando rápidos avances en los procesos de ingeniería mecánica e impulsando cambios positivos en el sector. Además, gracias a estos enfoques evolutivos, están consiguiendo que las empresas de todos los tamaños superen los desafíos y las tendencias a las que se enfrentan los fabricantes de maquinaria. De esta forma, estos últimos puedan sacar el máximo partido a las tendencias del sector para impulsar la adopción de nuevas tecnologías.

Ingeniería mecánica avanzada es un término introducido por Siemens hace unos años cuya finalidad es garantizar una mayor seguridad en el desarrollo de las máquinas de nueva generación. También reduce el tiempo de implementación gracias a un diseño y a una puesta en marcha virtuales, lo que da como resultado una mejor validación por anticipado, tiempos de puesta en marcha más cortos y una productividad más inmediata.

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Ingeniería mecánica avanzadaLas innovaciones en tecnología propician los cambios

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Abstracto

Resulta intimidante diseñar, validar y gestionar las máquinas de montaje y fabricación de hoy en día para poder alcanzar una calidad de primera clase y, al mismo tiempo, optimizar los costes. La ingeniería mecánica avanzada aúna el desarrollo de un gemelo digital con la colaboración de diversas disciplinas para el desarrollo de máquinas en un conjunto de soluciones completas. Estos complejos diseños multidisciplinarios, en los que se combinan diseños mecánicos, eléctricos y fluidos, requieren una única fuente de información en el diseño para abordar los procesos vacilantes existentes entre los silos de ingeniería.

Además, dado que casi todas las máquinas requieren un código de automatización, la ingeniería mecánica avanzada permite realizar una simulación virtual de la máquina de modo que el código PLC se pruebe virtualmente en una máquina digital antes de probarlo en una física. De este modo, se da respuesta a la necesidad de validar todo lo que realizará la máquina antes de su instalación en la planta de producción para detectar los errores. Asimismo, ahora es posible simular de forma virtual todo lo que se ha probado físicamente en el pasado.

En este white paper se detallan las tendencias, las tecnologías y los procesos que están impulsando y desarrollando la ingeniería mecánica avanzada.

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Sector de maquinaria industrial: tendenciasLas tendencias más importantes de la industria están afectando al funcionamiento de las máquinas de los clientes en sus sectores correspondientes. Los avances tecnológicos están fomentando que las empresas de maquinaria industrial implementen la Industria 4.0 con unas repercusiones sorprendentes. Tenga en cuenta las siguientes tendencias, que están rediseñando las operaciones de ingeniería, fabricación y servicio para la mayoría de proveedores de maquinaria:

• Personalización basada en el consumidor: las máquinas automatizan los procesos para ayudar a las empresas a reducir los costes y agilizar la entrega de las mercancías al usuario final. Por consiguiente, las tendencias en el mercado de consumidores definen en última instancia lo que necesitan los clientes. El ciclo habitual de desarrollo de los productos de consumo se está comprimiendo: los tamaños de lote son más pequeños y los ciclos de vida del producto son más cortos. Por tanto, los clientes de esta industria necesitan máquinas que sean más flexibles y se puedan adaptar a productos en constante cambio, a menudo con funcionalidades o funciones personalizadas que exigen a los fabricantes que agilicen la innovación.

• Máquinas inteligentes: los proveedores de componentes de maquinaria han adoptado dispositivos habilitados para el IoT. De este modo, los fabricantes de maquinaria se encuentran ante una empinada curva de aprendizaje para descubrir cómo aprovechar al máximo la información disponible. El número de canales E/S (basados en dispositivos de entrada/salida) y los distintos protocolos de comunicación (redes por cable y 5G inalámbrico) han aumentado significativamente el flujo de información en comparación con los últimos años. Por este motivo, los desarrolladores de códigos de automatización se ven obligados a elegir qué canales se deben utilizar mientras diseñan máquinas más inteligentes.

• Hiperautomatización: la programación específica permite a los usuarios de la maquinaria obtener una visión global a partir de toda la información del IoT. Esta tendencia exige una enorme cantidad de datos y

análisis basados en la nube para acelerar el aprendizaje sobre el comportamiento y el rendimiento de las máquinas para automatizar sus funciones. Además, la hiperautomatización es posible gracias a la aparición de las herramientas low-code que ayudan a los usuarios a extraer los análisis de datos para numerosos procesos empresariales, como la optimización de la fabricación, la fiabilidad de la ingeniería y la reducción de costes.

• Competencia mundial altamente innovadora: siempre ha existido, pero, hoy en día, el desafío procede de empresas emergentes más flexibles y ágiles que parten de la base del aprendizaje automático y a las que no entorpecen los procesos empresariales existentes o los compromisos heredados con los clientes. Algunas de estas empresas ofrecen herramientas de supervisión de producción como servicio así como servicios habilitados con software innovador y optimizaciones en las máquinas, incluso en las de la competencia.

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Diseño de maquinaria avanzado: personalización y simulaciónComo consecuencia, estas tendencias fomentan una personalización basada en el consumidor, lo que se traduce en una cantidad inmensa de cambios en la maquinaria. Las personas esperan obtener aquello que desean cuando lo desean. Esto conlleva una reducción del ciclo de vida de dichos productos. Los fabricantes deben aumentar la velocidad a la hora de elaborar productos sofisticados y, a su vez, ofrecer más variantes. Esta dinámica afecta al diseño de maquinaria avanzado en lo que se refiere a la personalización y al escalado del ritmo de cambio. Por lo tanto, las máquinas deben ser más adaptables para poder reaccionar ante las cambiantes tendencias de los consumidores.

Realizar una simulación previa en el diseño permite un movimiento de diseño generativo en CAD. En lugar de realizar primero el diseño y, a continuación, una simulación para detectar problemas en el diseño, el diseño generativo utiliza fuerzas, cinemáticas y restricciones en el diseño para ayudar a darle forma. Esto también resulta de utilidad aunque no se utilicen tecnologías de fabricación aditiva.

A su vez, también ha aumentado el diseño multidisciplinar colaborativo, con mucha electrificación en la maquinaria avanzada. Es difícil y supone un desafío a la hora de realizar una simulación de la máquina si no es posible validar el PLC y el código de automatización que rigen la máquina.

La tecnología y las herramientas implementadas hoy en día, cuyo objetivo es impulsar los cambios de manera significativa y aumentar exponencialmente la eficiencia, dan una verdadera ventaja competitiva a los fabricantes de este sector y les ayudan a comercializar más rápido sus máquinas.

Un excelente ejemplo de puesta en marcha virtual que ha resultado ser muy eficaz es Tronrud Engineering. Esta empresa fabrica y suministra máquinas y equipos innovadores. Un gemelo digital de la nueva máquina permite que los diseñadores, los ingenieros y los programadores puedan trabajar simultáneamente y, además, interaccionar y compartir su conocimiento de forma continua. Esto repercute positivamente en los

resultados finales reduciendo y comprimiendo el tiempo de puesta en marcha e ingeniería.

«Al trabajar simultáneamente en el diseño, los componentes mecánicos y la programación, podemos reducir drásticamente el tiempo de comercialización. En otro proyecto, este enfoque nos permitió reducirlo en hasta un 20 % o dos meses», afirma Erik Hjertaas, director general en tecnología de packaging en Tronrud Engineering.

Además, a la vista de los resultados de la ejecución en paralelo de las fases de desarrollo en un equipo interdisciplinar, Tor Morten Stadum, director de PLM en Tronrud Engineering, asegura que «Hemos acortado la fase de diseño en un 10 % y la puesta en marcha entre un 20 y un 25 %.»

Estas funcionalidades de ingeniería mecánica avanzada posibilitan un gemelo digital completo con un diseño multidisciplinar, una simulación y una puesta en marcha de la máquina virtuales así como una lista de materiales multidisciplinar. Veamos estos factores de diferenciación con más detalle.

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Factores de diferenciación clave: diseño multidisciplinar, puesta en marcha virtual y gestión de múltiples configuraciones

Los siguientes factores de diferenciación clave de la solución separan la gestión de la puesta en marcha de la máquina virtual y de la lista de materiales de múltiples configuraciones:

• Diseño multidisciplinar: los fabricantes de maquinaria están sacando el máximo partido al diseño multidisciplinar para hacer que su fabricación sea mucho más eficiente. Este enfoque de diseño valora las complejidades inherentes a la construcción de una máquina, inclusive la ingeniería del diseño y la fabricación. Tradicionalmente, la gran mayoría de fabricantes se centraba en CAD y en la fabricación de piezas dentro de la tolerancia para que todo funcionara mecánicamente, así como en la disposición mecánica y el montaje relacionados con la máquina. La máquina era fundamentalmente una pieza mecánica del equipo, como los automóviles o los aviones de hace años. Por eso, el diseño mecánico estaba en la misma área que el diseño eléctrico, mientras que el diseño de esquemas y software estaban en silos separados.

No obstante, el paradigma de la maquinaria industrial está cambiando. Por ejemplo, el software y los códigos PLC accionan los motores eléctricos y el equipamiento rotatorio para mover los engranajes del árbol de levas, lo que ha provocado la aceleración de los programas basados en rendimiento de los últimos años. El software puede adaptarse a todas las condiciones de la planta de producción y la máquina reacciona en función de las lecturas que efectúa el sensor en tiempo real. Incluso algo tan sencillo como la extensión y la retracción de un cilindro, que pueden basarse en un diferencial de presión y en la regulación de flujo, no estaban al alcance de las pequeñas y medianas empresas hace unos años, ya que su coste era prohibitivo. En consecuencia, muchas funciones y operaciones mecánicas se están sustituyendo por software. Esto es un cambio radical para los diseñadores de máquinas.

El diseño multidisciplinar es una combinación de funcionalidades y habilidades desarrolladas en un entorno más colaborativo. Este escenario permite mejorar la calidad del diseño de máquinas: todo funciona en armonía y tiene su lugar. Se trata más bien de una forma de arte que de un entramado de cables, sensores y componentes eléctricos. Es una solución integrada. Por eso, se está creando una armonía en el diseño multidisciplinar que no existía cuando las disciplinas estaban distribuidas en silos. Así es como se progresa en la simulación.

• Simulación y puesta en marcha de la máquina virtuales: un segundo factor diferenciador de la ingeniería mecánica avanzada es la posibilidad de realizar virtualmente tanto la simulación de la máquina como su puesta en marcha. Esto hace referencia a cómo una máquina prueba o valida el código de software en un entorno virtual antes de ejecutarlo físicamente en la planta de producción.

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El comportamiento de las máquinas se gestiona mediante un software. Por este motivo, ejecutar la simulación de un código en un gemelo virtual de la máquina aporta importantes beneficios en tiempo y recursos. Con la puesta en marcha virtual, el software de PLC efectúa las validaciones en un entorno gestionado con una estrategia de desarrollo de productos totalmente modular. Ahora, los fabricantes de máquinas realizan simulaciones de forma anticipada y vinculan el software con los módulos. Esto es todo un logro revolucionario para que las empresas sean competitivas en este sector.

Además, la simulación virtual confiere seguridad al entorno físico dado que si la máquina colisiona en el mundo virtual, será considerablemente más seguro y menos costoso arreglarla en este entorno virtual que en una máquina física. La puesta en marcha virtual rige el comportamiento de los motores y lo integra con la cinemática. Esta funcionalidad es realmente potente ya que el mecanismo de una máquina puede moverse más rápido de lo esperado, provocando así un impacto de carga real mayor que el previsto. Al replicar la cinemática en la puesta en marcha virtual es posible detectar los peligros y resolver las incidencias de manera rápida.

Por otra parte, con la visualización y puesta en marcha virtuales, los fabricantes acercan a los clientes a una realidad virtual para que interactúen con la máquina en formato digital. Desde una perspectiva financiera, esto representa grandes dividendos, pues nadie adquiere una máquina sin verla antes. Tampoco la comprará por una simple simulación virtual a través de la ejecución de un código de software. El cliente necesita comprobar que la máquina funciona antes de que la envíen a su planta de producción.

Se requieren muchas integraciones de software y factores de seguridad para hacer funcionar una máquina, por lo que ponerla en funcionamiento físicamente delante del cliente es una tarea titánica y estresante. Por este motivo, el mundo virtual es ideal para encender una máquina y ponerla en funcionamiento. Hay mucha menos presión tanto para los fabricantes como para sus clientes. Fusiona la ingeniería con el diseño y cuenta con la colaboración de diversas disciplinas para probar el código de máquina.

• Lista de materiales: el tercer factor diferenciador de la ingeniería mecánica avanzada es la lista de

materiales (BOM) multidisciplinar para los fabricantes a medida que desarrollan máquinas más inteligentes y sofisticadas. Ofrece mayor flexibilidad a la hora de satisfacer las demandas de personalización de los clientes.

Cada máquina, e incluso cada orden, que recibe un fabricante es un nuevo proyecto. Por lo tanto, necesitan realizar un seguimiento de diversas opciones y variantes para integrar los requisitos junto con la gestión de cambios y de proyecto y, al mismo tiempo, gestionar la BOM completa durante el ciclo de vida del producto. Esto abarca desde el diseño de ingeniería original, pasando por la fabricación y hasta la gestión de la lista de materiales de la máquina durante su vida útil.

Se requiere un nivel de capacidad de planificación para cada disciplina de ingeniería, lo que da como resultado un enfoque mucho más ágil. Asimismo, también necesitan supervisar los requisitos del cliente y de ingeniería así como las actividades que llevan a cabo el ingeniero de diseño, el ingeniero eléctrico y el ingeniero de control para ejecutar el proyecto. Para ello, hay que tener en cuenta el documento de alto nivel de especificación de los requisitos del cliente a través de la estructura de la lista de materiales y añadirlo a la tarea real necesaria para la entrega. Este proceso proporciona un nivel de capacidad capaz de asegurar y reducir los riesgos a la hora de satisfacer los requisitos del cliente. De esta manera, se consiguen implementar sofisticadas soluciones de software en cada máquina.

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Maquinaria industrial: soluciones de software avanzadas para máquinas más inteligentesDisponer de un software avanzado se ha convertido en una necesidad para los fabricantes de maquinaria que se están enfrentando a la globalización competitiva, a la reducción de los márgenes, a una rápida expansión de la personalización, a las regulaciones medioambientales y gubernamentales así como a la Industria 4.0 y otras iniciativas de fábricas inteligentes.

Para hacer frente a estos desafíos imponentes, las máqui-nas deben ser más inteligentes. Si una empresa no puede abordar la complejidad que conlleva incorporar software a sus máquinas o desarrollar una máquina avanzada según los requisitos del cliente para competir de forma agresiva a escala mundial, significa que le quedan pocos días de crecimiento rentable. Básicamente, el requisito primordial es conseguir que el diseño de la máquina sea más innovador en el proceso de operación y desarrollo.

La diferencia entre que una empresa sea buena o exce-lente radica en la calidad e innovación de su código de automatización. Un código excelente proporciona interfa-ces de usuario intuitivas, promueve la facilidad de uso y saca provecho de las nuevas funcionalidades de hardware y de los algoritmos de software. El objetivo es conseguir que sus máquinas se muevan con más rapidez y seguri-dad y sufran menos desgaste y estrés físico en sus componentes.

Sin embargo, no basta con registrar un código excelente, ya que las líneas de código de las máquinas actuales tienen una complejidad mucho mayor. Por ello, es funda-mental probar dicho código en un entorno virtual y ejecu-tarlo en todos los casos prácticos antes de cargarlo en una máquina física. Las empresas están sometidas a mucha presión para ofrecer máquinas más personalizadas con mayor rapidez, lo que añade más complejidad aún. Ya no es posible confiar en la máquina y validarla física-mente de forma segura.

Cada máquina se entrega al cliente con un conjunto de binarios, que representan el código UI y el código de operación en máquina compilados. Con las prácticas convencionales, los programadores se esfuerzan por bloquear los cambios de último minuto en el código antes de enviar la máquina. En este entorno tan caótico, es imprescindible conservar una versión bloqueada del código final por diferentes motivos como, por ejemplo, servicio, copia de seguridad desastrosa, lecciones aprendi-das para futuras máquinas y actualizaciones para máqui-nas anteriores en el campo.

Ya no es suficiente con un repositorio de códigos. Cada variante de software debe ser rastreable y recuperable mediante el número de serie de la máquina como parte de la lista de materiales de la misma. Durante la vida útil de la máquina, las futuras actualizaciones del hardware y del software deben disponer de un registro de sistema rastreable, lo que constituye el gemelo digital de la máquina.

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Maquinaria industrial: gemelo digital

Como concepto integral, el gemelo digital es una representación de la máquina física: su rendimiento y la fórmula para su fabricación. Contiene todo lo que constituye la máquina: componentes mecánicos, eléctricos, hidráulicos, fluidos, neumáticos, dominios de diseño, rendimiento, simulación y código de automatización. Además, el gemelo digital abarca la fabricación y la vida útil, disponiendo básicamente de una versión digital de la máquina según se entregó y mantuvo, desde su origen hasta el fin de su vida útil, cuando se reciclará.

Las líneas entre los componentes mecánicos, eléctricos y de software están difuminadas, por lo que para poder tener un gemelo digital es necesario representar todos los dominios. Dado que cada función que lleva a cabo la máquina depende de la integración de los dominios

mecánico, eléctrico, neumático y de software, resulta indispensable un gemelo digital integral. Estos dominios deben incluirse en el gemelo digital para poder crearlo y actualizarlo de la forma más completa posible.

A medida que las máquinas aumentan su complejidad y los fabricantes crean más variantes que requieren un gemelo digital de cada máquina construida, es necesario que dichas máquinas sean rastreables mediante su número de serie desde su creación y durante su fabricación y ciclo de vida.

Las innovaciones en la ingeniería mecánica avanzada, como el gemelo digital, afectan a todas las áreas de fabricación y repercuten positivamente en las operaciones de una planta de producción.

Un caso de éxito: EisenmannOtro ejemplo destacado de ingeniería mecánica avanzada en acción es Eisenmann, un proveedor líder a nivel mundial de soluciones y servicios industriales para el acabado de superficies, la automatización del flujo de materiales, la tecnología del proceso termal y la ingeniería medioambiental. Planifica y desarrolla plantas de distribución, montaje y fabricación a medida, altamente flexibles y eficientes desde el punto de vista energético y de recursos y que han sido implementadas por empresas de todo el mundo durante más de 60 años. La ingeniería mecánica avanzada con innovaciones en simulación ha suscitado opiniones positivas en Eisenmann:

• «El modelo de simulación que creamos gracias a Plant Simulation forma parte de lo que entregamos a nuestros clientes. Muchos de ellos ya utilizan Plant Simulation, por lo que saben cómo llevar a cabo la simulación y modificar los parámetros necesarios. Esto les aporta grandes beneficios ya que obtienen un modelo virtual de la línea física», afirma el Dr. Heiner Träuble, experto en simulación de sistemas de pintura de automoción de Eisenmann.

• «Estamos muy satisfechos con la simulación de eventos específicos que hemos desarrollado en Eisenmann durante años, especialmente mediante el uso de Plant Simulation», asegura Sebastiano Sardo, vicepresidente de sistemas de transporte de Eisenmann.

El uso de Xcelerator, un portfolio de soluciones de Siemens Digital Industries Software, ayuda a los fabricantes a crear el gemelo digital más completo y a integrar la simulación en el diseño de máquinas para que estas sean flexibles, eficientes y adaptables.

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El mercado está preparado para expertos competentes que puedan proporcionar soluciones a los clientes mediante un proceso de mejora de los productos. El software de nueva generación está avanzando más allá de las versiones actuales. Los métodos de ingeniería están transformándose y son exponencialmente más competentes que hace una década. La tecnología y las herramientas están impulsando los cambios para aumentar significativamente la eficiencia. El objetivo ahora es crear verdaderas ventajas competitivas para los fabricantes y proveedores de maquinaria, agilizando la comercialización de las máquinas mediante la ingeniería mecánica avanzada.

Hoy en día están surgiendo soluciones de ingeniería mecánica avanzada que abordan los desafíos y las tendencias que impulsan a la industria de la maquinaria. Aquí se incluye el diseño multidisciplinar, la simulación y la puesta en marcha de la máquina virtuales, la lista de materiales multidisciplinar y la gestión de la configuración.

El diseño multidisciplinar facilita la colaboración entre diversas disciplinas, como la mecánica, la eléctrica, de software y de fluidos. Todo ello desde un único entorno de diseño, de ahí la necesidad de construir un gemelo digital preciso que respalde estas disciplinas. Además, la simulación y la puesta en marcha de la máquina virtuales son posibles gracias a una estrecha integración de la solución de simulación, que ofrece soporte a un desarrollo de productos en paralelo. Por último, ahora existen funcionalidades avanzadas para la gestión de toda la lista de materiales para las opciones y variantes requeridas. Así se agiliza el soporte a los fabricantes de máquinas durante todo su ciclo de vida, desde el diseño de ingeniería original, su fabricación y hasta el fin de su vida útil.

Conclusiones

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Acerca del autorBill Davis es el director de soluciones del sector de maquinaria industrial y pesada de Siemens Digital Industries Software. Su experiencia y sus conocimientos son el resultado de una trayectoria profesional de 30 años en gestión de operaciones e ingeniería en empresas de maquinaria industrial y pesada. Bill posee un máster en Administración de Empresas de la Universidad Marquette, con especialización en gestión de operaciones y marketing estratégico, además de una licenciatura en Ingeniería Mecánica de la Milwaukee School of Engineering.

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