Modularidad en la ingeniería de producción: ¿Hasta qué punto puede ser granular?

El principio de modularidad puede explicarse mejor utilizando los ladrillos Lego como ejemplo: unos pocos ladrillos básicos y unos elementos de conexión definidos pueden utilizarse para crear innumerables objetos con diferentes funciones. Este enfoque también se ha establecido en la industria para productos con un mayor grado de complejidad y variabilidad. En la tecnología de control y accionamiento, los sistemas como PLC, IPC, HMI y componentes de accionamiento pueden ensamblarse a partir de "rebanadas" individuales o varios bloques de I/O remotas para adaptarse a la máquina correspondiente. La ventaja: pueden ampliarse o modificarse sin gran esfuerzo durante su uso posterior.

Actualmente no existe ninguna alternativa a la modularización en ingeniería mecánica, ya que los conceptos correspondientes persiguen una cartera con menos varianza y complejidad, así como un nivel de costes global más bajo sin reducir la amplitud e individualidad de la oferta (1). Esta afirmación es más fácil de entender si se tienen en cuenta los requisitos típicos de los sistemas de fabricación:

1. Conceptos como "productos individuales" e "Industria 4.0" requieren sistemas de producción muy variables que permitan fabricar una gama más amplia de productos, incluso en cantidades más pequeñas. Para ello, los sistemas deben ser escalables y ofrecer opciones de ampliación posterior (2).

2. Para que las empresas de ingeniería mecánica lleguen a sus clientes, no basta con desarrollar y vender buenos productos, y esperar los pedidos de servicio/mantenimiento. Esto se debe a que los costes del ciclo de vida (LCC) desempeñan un papel cada vez más importante en el análisis económico de las inversiones. El LCC puede utilizarse para presentar y vender nuevos conceptos de negocio, incluidos los servicios de mantenimiento, servicio y modernización, de forma muy transparente. Esto facilita a los fabricantes de maquinaria convencer a los usuarios de las ventajas de la gama ampliada de servicios que cubren todo el ciclo de vida de la planta (3). La creciente demanda de modelos de suscripción como "pago por uso", "pago por mes" y "pago por unidad" confirma esta tendencia. Después de todo, los modelos orientados al uso y a los servicios también son económicamente atractivos: en 2018, el margen medio de las ventas de máquinas nuevas fue del 5,4%, mientras que en el caso de los servicios fue del 40%.(4)

3. Especialmente en el caso de bienes de capital de alto precio, a menudo resulta más económico ampliar las máquinas existentes y renovar los conjuntos que adquirirlos completamente nuevos.

4. Al menos algunos clientes esperan que los módulos o subsistemas de máquinas de diferentes proveedores puedan integrarse en los sistemas existentes sin ningún esfuerzo especial.

Sin embargo, antes de que los fabricantes de equipos originales decidan seguir adelante con la modularización de sus productos y la fabricación, deberían ser capaces de responder afirmativamente a las siguientes preguntas:

• ¿Puede recuperarse de forma plausible el coste total estimado de un nuevo grupo de productos, consistentemente modular, en el plazo habitual para la industria y basándose en las peores hipótesis para el desarrollo posterior del mercado?

• ¿Consideran todos los departamentos implicados que los retos que plantea el rediseño previsto de la máquina o el sistema son factibles?

• ¿Están todas las partes afectadas de la empresa preparadas para alinear sus métodos de trabajo con el nuevo concepto modular?

También es importante aclarar hasta qué punto una máquina o sistema debe dividirse en módulos. La genialidad de LEGO no reside en los bloques de construcción en sí, sino en las conexiones entre ellos. Éstas determinan la granularidad posible de la división, pero también son el factor limitante para la conexión de los componentes. La situación es similar con las interfaces de una máquina: aseguran una "estructura global" coherente garantizando el buen funcionamiento de las piezas de la máquina y de las líneas de producción. Por lo tanto, la correcta separación de los bloques de construcción del "sistema global" entre sí es esencial para el éxito de la modularización.

• En primer lugar, estructure el sistema inicial según las funciones: en funciones clave que reflejen su competencia principal, funciones básicas (por ejemplo, sistemas de transporte o portadores) que se extiendan a todo el sistema, y funciones complementarias o auxiliares.

• Ahora combine estas funciones en módulos - ¡pero sólo tan granularmente como sea necesario! Tenga en cuenta todos los aspectos de una posible optimización y la variación de equipamiento necesaria. Incluya tantas etapas de prestación de servicios como sea posible a lo largo del ciclo de vida de la máquina.

• Evalúe la importancia para el módulo de máquina recién definido de todos los elementos de la máquina que no puedan "dividirse" más (sensores, actuadores, HMI, accionamientos, etc.) y que requieran conexiones eléctricas/electrónicas de alimentación, señal o datos.

• Asigne estos elementos a una capa de máquina adecuada.

• Asigne todas las interfaces necesarias para conectar los elementos individuales a los respectivos módulos de la máquina.

El resultado es una matriz que enumera todos los módulos del futuro sistema: La disposición jerárquica de las partes, incluidas las interfaces y su relevancia para los módulos, debe ser visible. Basándose en la matriz, puede evaluar la viabilidad, los riesgos técnicos y las consecuencias para el diseño de la máquina. La transparencia aumenta cuando se pondera la importancia de los módulos para el sistema global. La matriz no sólo muestra las fracciones implicadas, sino también los pasos posteriores en el desarrollo de los módulos y procesos.

La pregunta sobre el sistema de control adecuado para la máquina o la planta también puede responderse ahora más fácilmente. Las observaciones de HARTING sobre este tema indican que...

• Los sistemas con un alto grado de variabilidad en las funciones clave y una gran extensión espacial tienden a estar equipados con sistemas de E/S descentralizados en toda su extensión.

• Las estructuras combinadas se eligen para sistemas más pequeños y muy variables. El control de las funciones clave y básicas se establece entonces de forma centralizada, mientras que las funciones adicionales se controlan de forma centralizada (simples) o descentralizada (interfaces complejas), en función de su complejidad;

• para sistemas pequeños y/o sencillos con poca variabilidad, el control centralizado puro es más sencillo y económico.

La libertad casi absoluta asociada a los sistemas de producción modulares se ve influida de forma decisiva por las interfaces. Las capacidades de transmisión y las opciones de actuación que ofrecen estos componentes ayudan a determinar la modularidad del sistema. Por lo tanto, las interfaces deben ...

• diseñarse siempre optimizando los costes para los requisitos respectivos (propiedades eléctricas, EMC) de la vía de transmisión;

• ser gradualmente escalable en términos de parámetros técnicos, así como de tamaño y número en cada módulo de la máquina;

• poder satisfacer distintos requisitos en cuanto a materiales, contacto, montaje y tipos de protección, e integrar medios de transmisión alternativos como cables de fibra óptica y aire comprimido.

_Referencias

1. VDMA, McKinsey, 2014, "Perspectivas de futuro para la ingeniería mecánica alemana"

2. Roland Berger, 2011, "Sistemas de producción 2020"

3. M. Bode, F. Bünting, K. Geißdörfer, "Rechenbuch der Lebenszykluskosten", VDMA Verlag, ISBN 978-3-8163-0617-7

4. Commerzbank, 2019, "Ingeniería mecánica en Alemania"

5. ID-Consult, "Estrategia de modularización 2018/2019: La influencia de las arquitecturas de productos modulares en el éxito empresarial"