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Informe "Desarrollar el futuro" (Power the Future): Tecnologías emergentes y fábricas del futuro

2015 febrero 04, 09:00 CEST

AUTOR: Profesor Peter J. Dobson OBE, The Queen’s College, Oxford y Warwick Manufacturing Group, Universidad de Warwick.

En las últimas dos décadas ha habido cambios espectaculares en el mundo de la fabricación. Los tiempos de las fábricas sucias y ruidosas que dependían de herramientas y prácticas de trabajo obsoletas han quedado relegados a los libros de historia. Incluso en las fábricas de maquinaria a gran escala, vemos que los lugares de trabajo son notablemente más limpios y están mejor organizados. Estos cambios han sido impulsados en gran medida por las mejoras en la eficiencia, la mayor calidad de los productos y los métodos de reducción de costos.

La pregunta ahora es: ¿Cómo modificarán las tecnologías emergentes y los avances en la tecnología tradicional la forma y la organización de las fábricas del futuro? Con el uso generalizado de la tecnología de la información y las comunicaciones (TIC), que está creando una mezcla diversa de aplicaciones y tecnologías, ya pueden verse cambios en las actitudes hacia la fabricación, incluida la forma en que se desarrolla y capacita el futuro personal.

Tecnologías nuevas y emergentes:

El aumento en importancia y sofisticación de las TIC es omnipresente y no puede pasar desapercibido. Los procesos se pueden monitorear y controlar. Ahora se puede hacer el seguimiento de las acciones en la entrada y la salida de un proceso de fabricación y los datos se pueden utilizar para maximizar la eficiencia. La condición de las máquinas que se utilizan en las fábricas se puede monitorear continuamente. Esto puede tener, y de hecho tendrá, gran importancia a la hora de reducir las paradas y los costos de mantenimiento. Esto también debería disminuir la posibilidad de que se produzcan errores humanos (Dhillon 2014).

El proceso mismo de diseño ha cambiado. Se ha reducido notablemente la cantidad de personal dedicado al diseño y ha cambiado mucho la infraestructura correspondiente. Esto podría aumentar el trabajo desde el domicilio y los equipos o empresas de diseño especializados que presten servicio a varias unidades de fabricación. Las referencias al “diseño” serán más frecuentes en el vocabulario de los ingenieros. Pasarán a formar parte de más ramas de la ingeniería, lo que sin duda tendrá efectos muy importantes en la educación en todos los niveles.

De las tecnologías de reciente aparición, la biotecnología ha mejorado notablemente gracias a los nuevos desarrollos en sistemas y en biología sintética, seguida por la nanotecnología y sus aplicaciones en sectores como los materiales, la medicina y la energía, entre otros. Ahora es posible predecir la necesidad de un nuevo tipo de fábrica, que posiblemente podrá crear y manipular células humanas.

En muchos aspectos, la biotecnología ya ha comenzado a ocupar un lugar en el escenario industrial, pero con gran variabilidad en términos de tamaño y alcance. Aunque ya existen operaciones a gran escala que convierten biocultivos en productos no alimenticios y energía, también hay fábricas de muy alta tecnología que crean, todavía a pequeña escala, enzimas, proteínas y biomoléculas puras para la medicina y otros sectores. Estas actividades irán creciendo, a pesar de las preocupaciones públicas sobre la modificación genética. Un factor común a través de estas actividades es la creciente importancia de la actividad interdisciplinaria y la necesidad cada vez mayor de ingenieros químicos y de procesos.

Un nuevo desarrollo muy probable es la creación de “fábricas de células madre”, a las que posiblemente seguirán las “fábricas de órganos de repuesto”. No obstante, aún está por decidirse su modelo de negocio, la forma de construirlas y su organización. El mundo de la biotecnología es muy propenso a la contaminación por especies microbianas, virales y fúngicas no deseadas. Por lo tanto, resultan de suma importancia las buenas prácticas de orden y limpieza. La mayoría de las fábricas de biotecnología se caracterizan, y también lo harán en el futuro, por unas condiciones de funcionamiento muy limpias, estériles, además de una cuidadosa contención de los flujos de residuos.

Al igual que muchos otros procesos químicos, estas fábricas procurarán utilizar sus “residuos”, incluidos la energía térmica y el dióxido de carbono, para alimentar otros procesos en la fábrica. Esta actitud de máxima eficiencia térmica sin emisiones está calando de a poco en la mente de los ingenieros de procesos. Un buen ejemplo de su surgimiento es el aprovechamiento energético del calor residual, del flujo de fluidos o de la vibración para dotar de energía eléctrica a los sensores, que ahora están más integrados en la planta de la fábrica, lo que, con frecuencia, elimina la necesidad de una gran cantidad de cables al utilizar la telemetría inalámbrica. 

La nanotecnología tiene el potencial para proporcionar mejoras y cambios muy significativos en términos de materiales a través de un enfoque incremental, además de ofrecer una acción verdaderamente transformadora en áreas como la iluminación de baja energía, nuevas formas de almacenamiento y conversión de la energía, y el desarrollo de nanodispositivos aplicados a la medicina. Será necesario que se produzca un aumento de escala muy significativo para que las nanopartículas y otras nanoestructuras puedan fabricarse masivamente en condiciones estrictamente controladas, para incorporarlas posteriormente en materiales y productos. Este “camino” recién está comenzando. Ya somos conscientes de los potenciales peligros que supondría la liberación involuntaria de nanopartículas al medioambiente o al lugar de trabajo, por lo que su uso estará estrictamente controlado. Esto, en sí mismo, dará lugar a nuevas maneras beneficiosas de controlar los flujos de residuos emitidos desde las fábricas del futuro. Además, tenemos que gestionar lo que implica la introducción de nuevos materiales nanocompuestos en términos económicos, incluso teniendo como objetivo las mejoras incrementales. En la mayoría de las industrias, el principal paradigma es “el costo es el rey” y el mercado determinará si un pequeño beneficio en el rendimiento puede justificar un aumento en el costo de fabricación. En el futuro, el análisis del ciclo de vida de la fabricación será mucho más detallado. Esto ya resulta evidente en el campo de los compuestos, porque para este tipo de materiales es muy difícil recuperar la materia prima original para reciclaje. A medida que los recursos se vuelven escasos, esto podría dar lugar a nuevos conceptos de fábricas de reciclaje.

Sectores en los que se necesitarán nuevos conceptos de fábricas:

El sector farmacéutico probablemente experimente cambios radicales muy pronto. Muchos de los métodos tradicionales de elaboración de nuevos fármacos se mantendrán, pero para asegurar la calidad y bajar los costos, los procesos serán más automatizados e incorporarán más instrumentación. La introducción de la nanotecnología en la producción de nuevos métodos de diagnóstico y de administración de fármacos dará lugar, en especial, a importantes cambios en la fabricación de productos. Esto podría darse de manera gradual, inicialmente con una “prolongación de la vida” de las formulaciones existentes, a través de la administración del fármaco mediante nanopartículas o nanocápsulas. Esto podría ser especialmente factible en el caso de los fármacos inhalados. Todas estas nanopartículas también tendrán una capa superficial bastante sofisticada con capacidad de “reconocimiento de la diana” para asegurar que alcancen el objetivo indicado en el cuerpo. Lograr que el proceso industrial haga esto de forma reproducible y de una manera que satisfaga a los organismos reglamentarios será todo un reto.

El sector energético va a requerir nuevos métodos de fabricación. Las nanopartículas y muchos aspectos de la biotecnología serán fundamentales para los nuevos métodos de almacenamiento y generación de energía. La mayoría de los nuevos avances en materia de baterías dependen en gran medida del desarrollo de nuevos materiales para almacenar y liberar iones con carga. Esto requiere la integración de nuevos materiales basados en carbono, que pueden diseñarse para ofrecer enormes superficies internas en dichas baterías. Los impulsores de estos avances no se limitan a la industria de los vehículos eléctricos e híbridos, sino que están repartidos por todos los sectores que requieren almacenamiento de energía, especialmente para las fuentes renovables intermitentes como la eólica y la solar. La sofisticación también irá en aumento para las nanopartículas que se utilizan en catálisis. Existe un gran potencial para la fabricación de catalizadores y reactores que ayuden a convertir la “capacidad eléctrica de repuesto” en gas, ya sea hidrógeno por electrólisis o fotoelectrólisis del agua como posiblemente para producir metano a partir de dióxido de carbono y agua. Los catalizadores y los nuevos reactores especializados también serán necesarios para la conversión de gas a líquido, porque, nos guste o no, los combustibles de hidrocarburos son una forma muy efectiva de transportar energía.



La industria del automóvil y del transporte impondrá requisitos muy exigentes a los nuevos materiales para reducir el peso sin sacrificar la resistencia y la integridad. Ya podemos ver en los vehículos que para aligerar se sustituye el acero por el aluminio. Este tipo de cambios generales continuarán. El papel de los compuestos para sustituir al acero resulta especialmente desafiante debido al problema del reciclaje, al que nos referimos anteriormente. La recuperación de la energía a partir de lo que actualmente es calor residual, tanto en el sector automotriz como en la construcción, dará lugar a nuevos tipos de bombas de calor y demás convertidores de energía.

Capacitación:

Es evidente que existe una necesidad real y urgente de capacitar a las personas para las fábricas del futuro. Ya ha habido algunas iniciativas europeas como “Manufuture”, y la situación contrastante con los Estados Unidos y Japón ha sido muy bien resumida por Mavrikios et al. (2013). Las tendencias mundiales en esta área fueron recopiladas y analizadas en un artículo de Secundo et al. (2013). En este, se identificaron en particular las necesidades sociales de preservación de los recursos escasos, teniendo en cuenta el cambio climático y la reducción de la pobreza. También hacen referencia a los programas Manufuture e IMS2020, llevados a cabo por Europa, Japón, Corea, EE. UU. y Suiza, que se ocupan de todas estas cuestiones, además de abordar la estandarización, la innovación y los aspectos importantísimos del desarrollo de la competencia y la educación.

El Reino Unido, por ejemplo, está poniendo en práctica la capacitación en varios niveles. Está aumentando su capacidad de formación en etapas tempranas mediante pasantías y se están creando nuevos centros tecnológicos universitarios especiales para ampliar algunos de los centros de estudios avanzados. En un nivel superior, de posgrado, existen varios centros especializados para la formación doctoral. En la actualidad, la brecha en Reino Unido y en otros países probablemente esté en la etapa posterior de la experiencia y en la impartición de cursos de desarrollo profesional continuo. Francamente, es un tema que se debe abordar.

El Consejo de Investigación de Ciencias Físicas e Ingeniería (Engineering and Physical Sciences Research Council, EPSRC) ha introducido recientemente una iniciativa muy orientada a mejorar la transferencia de conocimientos y capacitación en el área de la fabricación y ha creado 16 nuevos centros de innovación en fabricación. Esta disposición para la investigación y el desarrollo en las primeras etapas de los niveles de madurez tecnológica (Technology Readiness Levels, TRL) 1 a 3 se suma a las nuevas iniciativas InnovateUK Catapult que cubren los niveles más altos de TRL. Actualmente existen 7 centros de este tipo en todo el país, con una inversión de 140 millones de libras esterlinas durante un período de 6 años.

Otro de los aspectos que no ha sido cubierto hasta ahora es el tema de mantener operativas nuestras fábricas del futuro. Con el correr de los años, se ha adoptado algún tipo de monitoreo de condición o de mantenimiento preventivo, especialmente en las industrias aeroespacial y automotriz. A medida que los procesos de fabricación se vuelven cada vez más diversos y automatizados, será necesario eliminar los fallos de planta y, en especial, el error humano. Estos temas están bien descritos en un artículo reciente de Dhillon (2014).

¿Cuáles son las políticas regionales y nacionales que están surgiendo para ayudar a desarrollar las fábricas del futuro?

La respuesta a esto tiene un amplio consenso y, aparentemente, se está desarrollando un objetivo común.

La Comisión Europea ha publicado un documento encargado por la Asociación Europea de Investigación sobre las Fábricas del Futuro: "Factories of the Future" (Las fábricas del futuro), que establece un plan detallado para su programa Horizon 2020. Este documento trata el tema desde una perspectiva muy amplia, cubriendo aspectos técnicos, sociales y organizativos.

El gobierno británico ha publicado un documento encargado como parte de su proyecto prospectivo sobre el futuro de la fabricación: The Factory of the Future (Ridgeway et al. (2013). Este documento recomienda:
  • Mayor integración de las cadenas de suministro
  • Colaboración más estrecha entre la industria y las universidades del Reino Unido
  • Dedicación a la innovación, tanto organizativa como técnica
  • Una visión de “integración de sistemas”
  • El diseño de fábricas y operaciones reconfigurables
  • Un marco reglamentario favorable para las nuevas fábricas, especialmente en el sector de las ciencias biológicas
  • Una visión británica que promueva la innovación y aliente a las redes de talentos
  • El reconocimiento de que tiene que producirse un cambio cultural.

Existen pruebas sólidas de que las políticas regionales para la creación de las fábricas del futuro empiezan a ganar impulso. Por ejemplo, ya se está aplicando el concepto de un enfoque modular “plug and play” (enchufar y usar) en la fabricación de productos químicos en el centro de servicios tecnológicos de Bayer en Alemania, con el apoyo de fondos de la Unión Europea. El gran centro de fabricación de productos químicos BASF de Ludwigshafen ya ofrece un ejemplo de fabricación completamente integrada, en la que la energía residual y los materiales de desecho son mínimos

Evidentemente, ya está en marcha la misión de crear estas fábricas del futuro. Para poder ponerlas en práctica, nos enfrentamos a tiempos emocionantes y desafiantes.

Referencias:
Mavrikios D, Papakostas N, Mourtzis, D, and Chryssolouris G. (2013). On industrial learning and training for the factories of the future: a conceptual, cognitive and technology framework. J.Intell. Manuf. 24, 473.

Dhillon BS. (2014). Human error in maintenance: An investigative study for factories of the future. Materials Science and Engineering. 65, 012031.

Ridgway K, Clegg CW, Williams DJ. (2013). The Factory of the Future. ISBN-13:987-0-9927172-0-9

Secundo G, Passiante G, Romano A and Moliterni P (2013) Developing the next generation of engineers for intelligent and sustainable manufacturing: A case study. International Journal of Engineering Education 29, 248.

[FIN]

Biografía de Peter Dobson

Peter es un experto en fabricación, materiales avanzados y nanotecnología. Actualmente es miembro principal del Warwick Manufacturing Group de la Universidad de Warwick, forma parte de varios comités y paneles del EPSRC y es consultor para muchas industrias. Dirigió el Parque Científico Begbroke en la Universidad de Oxford desde 2002 hasta 2013. También ha creado una serie de empresas derivadas. Peter recibió una Orden del Imperio Británico (Order of the British Empire, OBE) en reconocimiento a sus servicios a la ciencia y la ingeniería en 2013. Ese mismo año, se jubiló de la Universidad de Oxford, donde actuó como asesor estratégico en nanotecnología para los Consejos de Investigación del Reino Unido (2009-2013).

P J Dobson, BSc, MA (Oxon), PhD, C Phys, F Inst P, Miembro del ACS y FRCS.

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