Re-definición de procesos de fabricación en convergencia hacia Industria 4.0

Abstract

Las industrias aeronáutica y espacial no han estado tradicionalmente muy ligadas a los procesos productivos de las industrias de fabricación de otros sectores ajenos al mundo aeroespacial. Industrias de producción manufacturera como la de vehículos, artículos electrónicos, o el textil (por citar sólo algunos), no gozan en general de la presencia de técnicas y tecnologías aeroespaciales dentro de sus procesos. Sí existe en muchos casos transferencia de tecnología, ya que mucha de la investigación desarrollada dentro del ámbito aeroespacial es de aplicabilidad a otros sectores, pero efectivamente no son muchos los casos de uso de utilización de artefactos aéreos dentro de una fábrica de producción industrial. El concepto de Industria 4.0, más allá de haberse convertido en una denominación “de moda”, responde al paradigma de la conjunción de una serie de tecnologías introducidas dentro de un proceso industrial (los habilitadores) que, bien ya existían en otras industrias como la Informática (como el Big Data), bien son nuevos en su uso generalizado (como la impresión 3d). En los últimos años se ha experimentado una creciente utilización de muchos habilitadores de Industria 4.0 en diferentes sectores, con una demostrada mejora en indicadores de producción, y la posibilitación de existencia de nuevos productos. La presente tesis doctoral pretende ofrecer una visión acerca de cómo es posible obtener una redefinición de ciertos procesos industriales en una fábrica genérica de producción manufacturera, bajo la óptica del paradigma de Industria 4.0, y en convergencia a la cuarta revolución industrial. Se utilizará una fábrica concreta de reacondicionamiento de ordenadores sobre la que desarrollar el proyecto, que consiste en la utilización de medios y tecnologías aeroespaciales para proveer los servicios de aprovisionamiento interno de piezas ligeras, por medio de dron. El caso de estudio contemplará la solución al problema de negocio para solventar la necesidad de transportar piezas de ordenador desde un almacén hasta la zona de la fábrica donde es necesaria, fruto de una incidencia en las operaciones de reensamblaje de ordenadores. Se resolverán los retos a los que la utilización de este tipo de solución aeroespacial da lugar, siempre bajo una óptica tecnológica del paradigma de Industria 4.0. El punto de inicio es, como no podía ser de otra manera, una fábrica de producción industrial, en la cual se desarrollan procesos de manufactura. En este caso, se ha optado por una fábrica dedicada a la reparación y reacondicionamiento de ordenadores (PC y portátiles), que provienen de operaciones de renting en grandes clientes del sector de la banca. Retornan para recibir una limpieza, reparación (en su caso), y reacondicionamiento según unas nuevas características, con la sustitución de ciertas piezas y la adición de otras, de cara a cumplir con los requisitos explícitos en los pedidos de nuevos clientes, a un precio competitivo (típicamente en PYMES, cooperativas, etc.) Dicho proceso se organiza por medio de unos preparadores de material, que preparan pallets conteniendo los ordenadores a reacondicionar, con todas las piezas que es necesario incorporar de cara a cumplir las especificaciones solicitadas en los pedidos de cliente. El material se mueve en pallets utilizando los habituales transpaletas desde el almacén (donde se preparan los pallets) hasta la mesa de trabajo del operario al que corresponde trabajar sobre dicha orden de fabricación, según organiza el responsable de producción en cada momento (quien distribuye las órdenes de fabricación entre los operarios atendiendo a criterios de plazo, experiencia, y demás). Cuando no hay ninguna incidencia, el operario trabaja sobre los ordenadores y piezas que recibe sin tener que moverse de su mesa de trabajo; al finalizar con una orden de trabajo, continúa trabajando sobre la siguiente orden mientras un operario de movimiento logístico interno recoge el pallet recién terminado y lo mueve, bien a su siguiente etapa, bien a la zona de embalaje y expedición, para su entrega a cliente final. Pero en el proceso productivo no es infrecuente encontrarse con incidencias, de origen múltiple: ordenadores a los que falta alguna pieza, o que ha sido sustituida en el proceso de renting por otra, o que tenga algún defecto, o que la pieza nueva a aportar esté defectuosa, no sea compatible, falte, y otros casos similares. Las incidencias tienen que ser resueltas, generalmente atendidas por el jefe de turno, y en general conllevan el traslado de una nueva pieza desde el almacén hasta la mesa de trabajo del operario. La incidencia suele dar lugar a una parada de trabajo del operario mientras se gestiona la reposición de la pieza, una búsqueda de pieza por parte del jefe de turno; en ocasiones, es incluso del propio operario, si sucede más de una incidencia simultánea, el que se desplaza al almacén para obtener la pieza con el fin de evitar la espera por el jefe de turno (algo que no es anormal). En definitiva, una rotura de la continuidad del proceso, que además provoca retrasos significativos, cuando las dimensiones de la planta son tales que las distancias recorridas por los operarios son importantes. Las soluciones de aprovisionamiento de materiales y piezas existentes en la industria en general pueden no ser óptimas para el caso de aprovisionamiento de pieza ligera, como es el caso, dado que, con carácter general, suelen tener un tamaño considerable (lo cual es costoso en términos de aprovechamiento de superficie de planta), tener proyectos de desarrollo costosos, y costes de mantenimiento no despreciables. Para casos en los que las piezas a transportar son pesadas, las tradicionales cintas de movimiento, mesas de aire, o incluso los rodillos, suelen ser una buena solución; sin embargo, cuando la pieza es ligera (un procesador, una memoria, una tarjeta gráfica), la inversión, el mantenimiento, y el espacio perdido, tienen un impacto elevado. En ese contexto, se buscan alternativas para el traslado de pieza ligera en el interior de la planta, por un mecanismo que sea autónomo, rápido, de un coste moderado o bajo, y que tenga un pequeño impacto sobre el layout de la planta de producción, a nivel suelo; el espacio en la superficie de la planta es un bien preciado y costoso, de forma que minimizar el impacto de utilización de suelo de fábrica en cualquier proyecto es interesante y necesario. Es aquí, precisamente, donde tenemos el punto de encuentro entre la necesidad de negocio en el sector industrial, y las tecnologías aeroespaciales. Los sistemas aéreos no tripulados (SANT) resultan una atractiva opción por su rapidez, por sus capacidades autónomas, su coste moderado (o bajo, en algunos casos), y por su capacidad de utilizar espacios de la fábrica para su vuelo que habitualmente no tienen uso, o al menos no provocan interferencia con el trabajo en planta: las alturas perimetrales. Es cierto que un SANT, al que por deformación coloquial denominaremos dron, no dispone en general de unas altas capacidades de transporte de peso, e incluso no son muchos los casos de uso en los que se les ve como transportadores de material; no es menos cierto, en cualquier caso, que para situaciones en las que la pieza a transportar no supera unos cientos de gramos, o incluso en otros no llega ni a la centena, resultan una alternativa muy tentadora. En ese sentido, pues, se realizará un diseño de la solución de negocio en el que los sistemas aéreos no tripulados se conviertan en ese sistema autónomo que transporte la pieza ligera, por el interior de la fábrica, desde el almacén hasta la mesa del operario que declare una incidencia sobre el ERP. A lo largo del proyecto se van dando solución a los retos que una propuesta como ésta genera, desde la solución organizativa a la problemática del posicionamiento (...)

The first challenge to be addressed is precisely the redistribution in the plant, and the redesign of the workflow to take into account air supply. A landing table will be provided so that the transport aircraft can land safely, vertically, from a transverse confined aisle, and provide the required part to the operator who has requested it through an incident in the information system. The second challenge to be addressed has been precisely the design of the UAV (drone), both from a mechanical point of view, as well as the selection of components. This design is the fruit of a multi-step process. The idea of a quadcopter has been used as a starting point, as it has an ideal combination of speed, maneuverability and weight. First, the mass of the complete drone has been estimated, as the sum of the mass of the empty drone, of the bucket (or transport box, which will house the part to be carried from the warehouse to the operator), and the mass of the part precisely to transport. The mass of the items to be transported was considered as the worst case of the piece with the largest size, and with the greatest weight, plus two extra pieces (weighing the average of the other types of pieces). With regard to the chassis, a minimalist design was made, drawing inspiration from a commercial one, and taking into account the sizes of the control elements and parts to be transported. Using the e-calc software, and through a series of iterations, we proceeded to determine the standard elements that could maintain, under a weight of the order of 2 kg, a configuration capable of maximizing the flight range, with transport capacity according to specifications. A thrust / weight ratio of at least two was maintained, so that the aircraft had a certain agility for its maneuvers within the flight space. Second, the mechanical design of the transport bucket or box was carried out. Starting from the maximum dimensions of the largest piece to be transported, a mechanism was designed based on two pieces that fit together to provide a transport bucket and legs for the drone. The design is intended to be executed in 3d printing, which facilitates simple replacement in the factory itself in the event of breakage or deformation resulting from potential air "accidents" that may occur. On the other hand, 3d printing allows a series of improvements, such as the covering of the gaps of lightened material (achieving a reduction in weight in the reticulated structure without deforming the aerodynamic flow in the legs), and is fully aligned with the paradigm of Industry 4.0. Another aspect to highlight is the inclusion of a reinforcement in the central area of the structure of the legs, to adequately withstand the stresses resulting from the weight of the assembly, and to maintain the deformations at a reasonable level within its elastic limit; The SolidWorks FEM tool was used to achieve an optimal design between a reasonable resistance for the expected loads, and a weight not excessive to be airborne. The bowl was tested from the aerodynamic point of view under SolidWorks Flow Simulation to improve the flow path that the rotors inject on the pair of legs-bowl, including some lateral openings to evacuate said flow. The final assembly of the legs and the transport bucket responds to the needs of supporting the expected loads, under an admissible weight, and offering reduced aerodynamic resistance. Third, it was sought to increase the autonomy of the aircraft through the inclusion of a wing. The objective was clear: to maintain the maneuverability and the vertical take-off and landing capabilities (provided by the quadcopter configuration), but at the same time obtain the advantages of a fixed-wing aircraft in terms of lift obtained by the aerodynamic profile, which results in an increase in flight time, an improvement in autonomy. A series of aerodynamic profiles well known within the world of model aircraft have been studied to find one that would serve as the basis for the wing, providing optimal aerodynamic characteristics. The XFLR5 simulation software has been used to review the behavior of each of the profiles under study within the flight profile at nominal speed. By means of a batch analysis in XFLR5 Xfoil Direct Analysis, the polars of the Reynolds profiles were obtained, reviewing the evolutions of the drag (resistance) and lift (lift) coefficients against the angle of attack. The underlying idea was to obtain the four basic points of minimum resistance, maximum leanness, minimum descent speed, and the limit angle of attack, or stall. From this perspective, the WACO profile was selected as the basis for the 3d wing. This wing was again simulated in XFLR5 using the Wing and Plane Design module to determine the expected lift in the best of cases, under the different speed profiles. Once the lift that the wing could generate had been estimated by simulation, the CFD simulation of the complete assembly was carried out using the Solid Works tool, to estimate by software what the expected lift improvement could be. The results were initially lower than expected (previously provided by XFLR5), which was determined for two reasons. On the one hand, that in XFRL5 it is not feasible to simulate parts such as the bowl and legs, which have a significant impact on reducing the aerodynamics of the assembly; this factor was already expected, and did not lead to design changes. On the other hand, it was observed, through Flow Analysis, how the air particles did not evolve at the exit of the profile as expected, generating extra lift. The reason was determined to be that the effective angle of attack that the incoming flow particles "saw" was lower than that calculated, given the natural pitch of the aircraft, due to its four-engine condition. To solve this problem, already detected in previous investigations, the angle of attack was kept constant by means of a rotary assembly with a servomotor, piloted by the flight controller. Fourth, the positioning problem was addressed. As is known, the traditional signal that is usually carried out by the guidance of aircraft of this type outdoors (GPS), is not, in general, usable indoors (where the signal may not reach, or be received under unusable conditions). That is why it was necessary to design an aircraft location system in indoor environments. With the idea of reducing costs, in addition, a solution has been sought that did not have a high budgetary impact, also remembering that it should be a shippable solution. The flight of the aircraft has been planned within a confined corridor, to meet the expectations regarding this type of aircraft within an industrial factory according to the usual requirements of the occupational risk prevention departments. Thus, the drone overflight over the operators has been avoided by using a confined corridor according to the perimeter of the factory; This area is generally used for cable trays, suction and impulsion ducts, etc., in general, there is always space for a confined corridor of the design characteristics. By means of an "L" element turned 90 ° to the right made of aluminum sheet (like the usual "pants" of the air conditioning pipes), it is possible to confine the flight at the top and left side. The wall of the industrial building itself provides the limit on the right side; in the lower area, a net with removable hooks guarantees, on the one hand, that a failure in the flight does not cause an accident; on the other hand, it provides a mechanism to recover the drone from a loss of control, with relative accessibility. The ship would also be crossed transversely by a series of corridors accessed from different points of the perimeter corridor, and which also have a series of openings in the verticals of the drone landing tables to be able to descend and deliver the material (...)