Industria 4.0 pura: La música futurista que suena bien

En la segunda reunión de expertos "Industrie 4.0 en vivo" en julio de 2017, el Instituto Fraunhofer para Tecnología de Producción y Automatización IPA presentó una serie de soluciones aplicadas para la digitalización de la producción. Una parte de los casos de uso mostrados se refiere muy concretamente al campo de aplicación de las salas limpias. Esto llevó a la redacción de reinraum online a profundizar en una entrevista individual y a examinar el tema y las aplicaciones con mayor detalle.
Industrie 4.0, digitalización, transformación digital, Internet de las cosas, productos inteligentes, servicios inteligentes, IoT, producción virtual – a la falta de palabras clave para los desarrollos más recientes en el mundo de la producción realmente no le falta nada. Sin embargo, ante la variedad de términos, uno se pregunta: ¿realmente todos los que pronuncian estas bonitas palabras saben lo que significan? Hay motivos para dudar, ya que incluso entre profesionales y expertos reconocidos existen grandes diferencias de opinión y divergencias conceptuales.

Y después de que el Instituto Fraunhofer IPA también haya mencionado términos como Industria 4.0 limpia, producción adecuada a la limpieza y sistemas de automatización específicos para la pureza, quisimos saber exactamente qué entienden los científicos de Stuttgart por ello. Esto, según nos explicó el Dr. Udo Gommel, jefe del departamento de microproducción y producción limpia, no es algo que se pueda explicar en dos frases. El responsable del proyecto, el Dr. Tim Giesen, también ve la variedad de términos más como un factor de confusión que como una diferenciación útil.

Confusión terminológica - un intento de aclaración

Por lo tanto, intentamos aquí primero aclarar los términos, sin pretender ser exhaustivos o tener una validez absoluta, por supuesto. Porque, como se dijo, en este campo cada uno entiende algo diferente por estos términos y diariamente surgen nuevas expresiones vacías.

Industrie 4.0, a menudo abreviado como I4.0, está actualmente en boga. Sin embargo, el término no solo es muy amplio, sino que ya está bastante utilizado y se emplea cada vez más como palabra de moda para describir la tendencia a digitalizar los procesos de producción y para crear la imagen de una fábrica del futuro. Sin embargo, lo que exactamente se entiende por ello, suele permanecer en la oscuridad. Como concepto, Industria 4.0 representa la cuarta revolución industrial, en la que, tras la mecanización (Industrie 1.0), la producción en masa (Industrie 2.0) y la automatización (Industrie 3.0), ahora se incorpora Internet de las cosas y servicios en la producción. Ya se han dado los primeros pasos hacia ello y las posibilidades parecen ilimitadas. Industria 4.0 afecta a muchos niveles de valor añadido y, según la opinión unánime de los expertos, tiene un enorme potencial para aumentar la productividad por un lado y reducir costes por otro. Los augures creen que hasta un 30 por ciento puede ser lo que aporte grandes oportunidades de crecimiento y ventajas competitivas.

Tras la interacción previa en el pasado entre ingeniería mecánica y eléctrica en la mecatrónica, ahora en Industria 4.0 también se integra la tercera disciplina, la tecnología de la información y la comunicación, y los ámbitos se conectan fuertemente entre sí. Así surgen fábricas en las que máquinas inteligentes intercambian información y se organizan de forma autónoma. Los talleres están conectados con las máquinas en la fábrica del futuro y controlan la producción. Esto hace que la fabricación sea más flexible y eficiente, ya que las máquinas se comunican directamente con los sistemas informáticos de la empresa, creando así un flujo de información continuo. De componentes en masa, cada vez más se convierten en piezas únicas, en línea con la tendencia hacia la personalización de productos. Cada pieza, cada producto, recibe en el mundo digital de la producción una "identidad" de datos, con la que navega de forma autónoma por la fábrica inteligente y puede ser localizada y controlada en cualquier momento.

Internet de las cosas, también llamado IoT o Internet of Things, describe el mundo que surge cuando los dispositivos, objetos y productos utilizados están equipados con microchips o sensores y envían automáticamente información, por ejemplo, sobre su uso o nivel de llenado, a los sistemas de procesamiento de información. Estos dispositivos y objetos se llaman objetos inteligentes.

Los objetos inteligentes llevan consigo datos sobre sus propios estados operativos y de producción, o también sobre su ubicación actual, que se recopilan, actualizan y analizan según el uso previsto. De este modo, las máquinas pueden transmitir de forma autónoma información sobre su uso, niveles de llenado, mantenimiento pendiente, etc., o incluso durante la producción, información sobre los pasos de producción aún necesarios (tendencia a la fabricación personalizada).
Al igual que los objetos inteligentes, cada vez habrá más servicios inteligentes. Esto significa que los productos inteligentes, después de su entrega al cliente, estarán conectados a Internet durante su vida útil y almacenarán enormes cantidades de datos sobre su estado operativo y de producto en una nube de datos. Esto permite ofrecer servicios personalizados basados en datos al cliente, lo que a su vez genera numerosos nuevos modelos de negocio.

La fábrica del futuro también incluye la posibilidad de conectar no solo todas las máquinas de una empresa entre sí, sino también con los sistemas de proveedores y clientes. Esto permite reaccionar de forma óptima y en tiempo real ante desviaciones y fallos. Pero también el ser humano desempeña un papel central en la Smart Factory, en la fábrica inteligente. Como "Operador aumentado", controla y supervisa los procesos de fabricación del red de producción con la ayuda de sistemas de asistencia basados en TI, como unas gafas de datos.

Por supuesto, todos estos desarrollos también afectan y afectarán cada vez más al campo de las salas limpias, ya que hoy en día y cada vez más en el futuro, cada vez más procesos de producción deben realizarse en condiciones de sala limpia o al menos en un entorno limpio. Por ello, el Instituto Fraunhofer IPA, en el marco del departamento de microproducción y producción limpia, ha creado una nueva unidad organizativa llamada "Sistemas de automatización específicos para la pureza", que está conformada de manera interdisciplinaria y heterogénea en contenido, y desarrolla soluciones aplicadas para la "producción adecuada a la limpieza". Aquí se llevan a cabo proyectos piloto para Industrie 4.0, caracterizados por una conexión intensiva entre ciencia y práctica, y por la integración de hardware y software, y que participan en la configuración del futuro.

¿Qué significa Industria 4.0 en la sala limpia?

Los científicos del IPA están seguros de que el desarrollo hacia la "Inteligencia Limpia", es decir, el camino hacia la sala limpia inteligente del futuro, se realizará en tres etapas. El jefe de proyecto, el Dr. Tim Giesen, explica: "Actualmente, todavía estamos en la etapa más baja de esta pirámide. Aquí se trata de una transparencia creciente, que surge del acceso a datos en la sala limpia, mediante la documentación y recopilación automatizada de datos en la sala limpia y mediante informes automatizados a nivel de producción." En la segunda etapa de desarrollo, se tratará la llamada interconexión, es decir, la comunicación en tiempo real de los flujos de información y datos mediante sistemas ciberfísicos durante la operación de producción. En la tercera etapa, la llamada "Inteligencia Limpia", se logrará en el futuro la disponibilidad completa de todos los procesos como servicios, generando enormes cantidades de datos (Big Data) y trabajando con reconocimiento de patrones para gestionar la totalidad de los procesos y coordinar los flujos.

Con respecto a los ejemplos de aplicaciones desarrollados en el IPA para la sala limpia 4.0, Giesen también explica: "Las nuevas aplicaciones ayudan a conocer mejor la sala limpia en términos de transparencia como lugar de producción, y así no solo a identificar posibles fuentes de errores, sino también a optimizar los flujos de proceso." Por ejemplo, se puede obtener información precisa sobre los estados y niveles de llenado de las máquinas y dispositivos en la sala limpia, en qué momento se encuentra cada uno, qué producto se está fabricando en ese momento, qué personas están en la sala limpia, si se superan ciertos límites y mucho más, simplemente registrando todos los valores posibles, enviándolos a la nube y almacenándolos allí.

Esto, según el científico, contribuye en última instancia a obtener mayor transparencia sobre los procesos en curso y, por lo tanto, mayor claridad sobre las causas de productos defectuosos, permitiendo eliminar las fuentes de error de manera dirigida. También tiene una gran importancia para la productividad, por ejemplo, si los niveles de llenado de materiales se comunican en tiempo real y así se puede garantizar un suministro sin interrupciones desde el principio. El jefe de departamento, el Dr. Udo Gommel, añade que hay un potencial de aplicación muy amplio, que satisface muchas situaciones diferentes, todo ello a través de la misma red.

Un ejemplo puede ser el llamado "Cleanroom Scout", que actualmente se desarrolla en el IPA. Se trata de un pequeño vigilante descentralizado que protege y supervisa en la sala limpia ya sea el producto o las personas, en términos de seguridad laboral y seguridad del producto. También el área de "Mantenimiento predictivo", es decir, el mantenimiento de equipos y sistemas previsto a partir de datos de uso y desgaste concretos y actuales, se espera que traiga cambios importantes en el panorama de la fabricación. En el futuro, por ejemplo, se recogerán datos específicos, como la temperatura, mediante sensores en el eje de una máquina de producción. Si la temperatura aumenta, indica una fricción elevada y señala la necesidad de mantenimiento próximo. La capacidad de detectar el desgaste y repararlo en el momento adecuado asegura una planificación de capacidad precisa a lo largo de los ciclos de mantenimiento de los equipos. Así se evitan fallos y se aumenta la productividad. En la sala limpia, los sistemas de filtración son especialmente adecuados para estos modelos predictivos, pero también todos los materiales consumibles.

Hoja de ruta hacia la sala limpia del futuro

En el IPA, el departamento del Dr. Gommel ha desarrollado una hoja de ruta bastante concreta que muestra en qué punto estamos hoy y hacia dónde nos dirigimos. El jefe de proyecto, el Dr. Giesen, explica que, por ejemplo, los sistemas de monitoreo de condición, que ya están disponibles desde el punto de vista técnico y que pueden proporcionar información completa sobre el estado de los equipos en cualquier momento, serán en el futuro una parte natural de las salas limpias. También el concepto de sala limpia sin papel juega un papel importante en las consideraciones futuristas, donde se trabaja para eliminar completamente la fuente de contaminación que representa el papel, mediante el uso de dispositivos móviles como tablets y conectando los diferentes analizadores a estos. Mientras que hoy en día los datos se gestionan principalmente de forma centralizada, el futuro de la sala limpia incluirá enfoques descentralizados, en los que componentes inteligentes en la sala limpia se comuniquen entre sí y con los sistemas, y se coordinen en tiempo real.

Otra tecnología con potencial para el futuro es el sistema de rastreo y trazabilidad, en el que los "objetos inteligentes" en la sala limpia proporcionan información tanto sobre su ubicación como sobre su estado, explican los científicos del IPA. Además, se abre la posibilidad de equipar con sensores el equipo de protección personal de los empleados en la sala limpia, para verificar la contaminación y el desgaste, e incluso usarlo para el control de acceso. La creciente capacidad de los componentes inteligentes para autodescribirse completamente, incluyendo su conexión con los sistemas de procesamiento de información superiores, abre enormes campos de aplicación. Así, la sala limpia se convertirá en una especie de vigilante autogestionado, que coordina, administra y orquesta todas las unidades que operan en ella.

Como ejemplo de una aplicación ya desarrollada "de pasado mañana", en el IPA se puede ver una aplicación de realidad aumentada, en la que el operador en la sala limpia ve una réplica completa de la máquina a través de unas gafas Hololens, que le muestra información contextual superpuesta, como el estado actual de la máquina, qué componentes están en ella, qué materiales se están verificando y cuánto tiempo falta para completar la prueba. De este modo, puede gestionar los procesos sin tocar el equipo.

Otra propuesta interesante, que en el IPA llaman tecnología "Inside-Out" y que probablemente aún quede en el ámbito de la ciencia ficción, permite "sacar" una máquina de la sala limpia mediante una aplicación en tablet. Así, el operador no necesita entrar en la sala limpia. En cambio, apunta desde fuera a un marcador en la máquina y, de inmediato, aparece en la pantalla una réplica exacta de la máquina. A través de esta réplica, se controlan las funciones, siguiendo la información contextual mostrada en pantalla. Además, se pueden mostrar todos los datos e información necesarios sobre las partes, dispositivos, sensores, procesos, e incluso el número de teléfono del servicio técnico.

El futuro ya ha comenzado, aunque todavía queda mucho trabajo de desarrollo y pasará tiempo hasta que las nuevas tecnologías realmente encuentren su camino en las salas limpias. Reinraum online seguirá observando de cerca los pasos hacia el Cleanroom 4.0 y reportará regularmente.