Gemelos digitales: una guía para fabricantes

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

Una tendencia que ha ido ganando terreno en los últimos años es el uso de gemelos digitales para conectar objetos físicos en un entorno de fabricación con sistemas digitales, con el fin de potenciar y mejorar el proceso de desarrollo de los productos. Según Deloitte, se prevé que la inversión en tecnología de gemelos digitales alcance los 16 000 millones de dólares en 2023.

En esta entrada, analizaremos la historia de los gemelos digitales, cómo se han ido implantando en los sectores industriales y las ventajas que aportan a las empresas en lo que respecta al fomento de la mejora continua.

Un gemelo digital es una representación o modelo virtual y dinámico de una pieza, un objeto, una máquina o incluso todo un proceso de producción. Se compone del propio elemento físico, de su representación virtual y de la funcionalidad de conexión que permite el intercambio de datos 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 dinámicas que definen la forma en que un objeto existe y funciona en el mundo real.

Esto permite a los seres humanos observar cómo reaccionaría un objeto físico en distintas condiciones y circunstancias, al tiempo que se aprovechan 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 realidad aumentada para visualizar objetos, así como IoT y sensores para recopilar datos del entorno en el que se encuentra el entorno físico. Esto garantiza que el gemelo digital represente con precisión un objeto o un proceso en cualquier momento dado en la planta de producción.

Gracias a estas características, un gemelo digital utilizado en un entorno de fabricación puede aplicarse tanto a un único componente crítico como a una máquina completa. En un uso más amplio, esta tecnología también puede emplearse para trazar un mapa y realizar un seguimiento de toda una línea de producción e incluso de las operaciones de producción en su conjunto.

El concepto de «gemelos digitales» se introdujo por primera vez en el libro Mirror Worlds, publicado en 1991 y escrito por David Gelernter. En él, el autor describe los «mundos espejo» como muñecos vudú de alta tecnología, es decir, representaciones digitales de entornos físicos a gran escala (colegios, hospitales, ciudades) con los que se puede interactuar y manipular mediante un ordenador de sobremesa.

Aunque los escritos de Gelernter eran en gran medida especulativos y anticipaban lo que podría suceder en un futuro lejano, los tecnólogos no tardaron mucho en empezar a aplicar el concepto de forma muy concreta. Por ejemplo, en 2002, el Dr. Michael Grieves comenzó a buscar formas de aplicar de manera práctica la tecnología en el sector manufacturero, desarrollando un modelo que aplicaba todos los elementos de un gemelo digital a un caso de uso de gestión del ciclo de vida de un producto.

El término «gemelo digital» fue acuñado en 2010 por John Vickers en un informe de la NASA titulado Área tecnológica 12: Hoja de ruta sobre materiales, estructuras, sistemas mecánicos y fabricación. Desde entonces, se ha aplicado en innumerables sectores diferentes, lo que permite a las personas interactuar con productos y entornos físicos a través de un medio digital sin fisuras.

Uno de los ejemplos más habituales para explicar el concepto de gemelo digital es el de un aerogenerador. Los aerogeneradores pueden utilizarse en diversos 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 estimar cuánta energía es capaz de producir un aerogenerador concreto, dada la gran variabilidad del entorno físico en el que se encuentra dicho aerogenerador.

Para que la empresa energética pueda predecir con mayor precisión cómo funcionará una turbina en función del entorno en el que se encuentre, podría plantearse crear un gemelo digital, lo que le permitiría recopilar datos en tiempo real de los sensores instalados en la turbina física, introducir dichos datos en una réplica digital de la turbina y ejecutar diversos modelos de inteligencia artificial para simular las distintas condiciones a las que podría verse sometida la turbina.

Esto permite obtener una previsión mucho más precisa del funcionamiento y la producción de la turbina durante un periodo de tiempo determinado.

Este mismo concepto puede aplicarse a cualquier número de productos físicos, lo que ofrece a los fabricantes una forma más precisa de predecir cómo funcionarán sus productos en función de los distintos entornos y condiciones a los que puedan verse expuestos.

Las distintas operaciones de fabricación tienen requisitos y sistemas diversos, específicos de sus procesos de producción. Por este motivo, los fabricantes pueden aplicar la tecnología del gemelo digital de múltiples formas distintas, lo que da lugar a resultados diferentes y exclusivos de cada entidad productora.

A continuación se presentan algunas formas en las 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 prefieren los gemelos digitales a los prototipos físicos. Los primeros pueden modificarse con mayor facilidad para incorporar cambios y correcciones, lo que hace que el diseño y la mejora del producto sean procesos más eficientes. La integración con otros sistemas garantiza, además, que los procesos de prueba y evaluación se basen en datos correctos y precisos.

Mejora del diseño de los sistemas de producción: Las aplicaciones del gemelo digital van más allá de los productos individuales. De hecho, también abarcan sistemas de producción completos.

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

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

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

Gracias a las capacidades de inteligencia artificial y aprendizaje automático de la Industria 4.0, los gemelos digitales pueden detectar fallos inminentes, lo que permite a los fabricantes adelantarse a ellos.

El personal de mantenimiento puede entonces utilizar gafas de realidad aumentada para visualizar los modelos precisos superpuestos a la máquina real que se encuentra en la planta. Esto proporciona una representación precisa de la forma y las especificaciones en las que el técnico puede basar su trabajo.

A medida que avanza la cuarta revolución industrial, las fábricas inteligentes están incorporando cada vez más tecnología para que sus operaciones de producción sean más rentables. La tecnología de gemelos digitales es un enfoque que ofrece numerosas ventajas a este tipo de empresas manufactureras.

Entre estas ventajas se incluyen:

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

• Mejora de la eficacia global 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, al facilitar el mantenimiento predictivo.

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

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

• Mejora general de la rentabilidad del negocio: Estas ventajas se traducen en una mayor rentabilidad de la actividad de fabricación. La empresa gasta menos en operaciones de reparación y reacondicionamiento y, además, satisface a sus clientes con mejores productos y un mejor cumplimiento de los pedidos.

Aunque el concepto de gemelos digitales pueda parecer abrumador y complicado, esta tecnología puede aplicarse a diversos casos de uso que aportan beneficios realmente significativos a los fabricantes. Y, aunque su adopción en el sector es aún reciente, se prevé que la funcionalidad de gemelos digitales se convierta en una característica estándar en aproximadamente el 88 % de IoT para 2025.

A medida que la tecnología se va generalizando, resulta lógico que las empresas comprendan cómo crear gemelos digitales para respaldar sus operaciones. A continuación se ofrecen algunas recomendaciones de expertos del sector:

1. Define claramente el objetivo y el alcance del proyecto: ¿qué pretendes reproducir con tu gemelo digital? ¿Cómo influirá la tecnología en tu forma actual de hacer negocios? Comprender el objetivo 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: la creación de un gemelo digital requiere una amplia gama de software y hardware para generar un modelo preciso y en tiempo real con el que se pueda interactuar. El equipamiento puede incluir cualquier número de IoT , sensores y monitores, y el software puede abarcar soluciones CAD en 3D para diseñar el modelo, así como IoT para visualizar el propio gemelo digital. Comprender la aplicación concreta de tu gemelo digital te ayudará a determinar los distintos equipos y soluciones que necesitarás para llevar a cabo tu proyecto.

A continuación te explicamos cómo hacerlo:

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

2. Las herramientas de fabricación digital aprovechan el Internet de las cosas para recopilar datos de los equipos de la planta y transmitirlos al software del gemelo digital en tiempo real.

3. Este software, conocido como motor de juego, procesa los datos y aplica modelos físicos avanzados para ofrecer un gemelo digital comprensible que refleja la IoT en tiempo real.

4. El software de gemelo digital que se elija debe contar con funciones de control de versiones. Esto permite sincronizar todas las modificaciones del gemelo digital, lo que garantiza que el personal autorizado tenga 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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