Gemelos digitales en la impresión 3D, ¿qué debes saber al respecto?
¿Has oído hablar de los gemelos digitales? La idea se desarrolló por primera vez en la década de 1960 como una forma de crear un modelo vivo de la misión Apolo. Esto se realizó para ayudar a evaluar su fracaso mediante un modelo físico del vehículo con componentes digitales. El concepto ha crecido desde entonces, pero el núcleo sigue siendo el mismo. En esencia, un gemelo digital es un modelo virtual diseñado específicamente para reflejar con exactitud un objeto físico. Según IBM, un gemelo digital podría considerarse como “una representación virtual de un objeto o sistema que abarca su ciclo de vida, se actualiza a partir de datos en tiempo real y utiliza la simulación, el aprendizaje automático y el razonamiento para ayudar a la toma de decisiones”. Aunque a menudo se confunde con el proceso de diseño, los gemelos digitales van más allá. El uso de algoritmos y el funcionamiento matemático en los gemelos digitales son una parte importante para predecir el comportamiento de las piezas, como las fabricadas con impresión 3D.
Estos han encontrado su lugar en una gran variedad de aplicaciones, desde la fabricación a la medicina e incluso el diseño de interiores. Además, cada vez se utilizan más en la fabricación aditiva. De hecho, se estima que el mercado de los gemelos digitales alcanzará un valor de $73.500 millones de dólares en 2027, según Markets and Markets. Pero, ¿por qué utilizar exactamente gemelos digitales en la impresión 3D? ¿Qué hay que tener en cuenta antes de hacerlo? Te lo contamos todo a continuación en esta guía.
Los gemelos digitales se utilizan cada vez más como parte de la Industria 4.0. (Créditos: GE)
El uso de gemelos digitales en la impresión 3D
Se considera que tanto los gemelos digitales como la fabricación aditiva desempeñan un papel clave en la Industria 4.0. Sin embargo, no ha sido hasta los últimos años cuando ambos han empezado a combinarse. Aun así, es importante tener en cuenta que muchos estudios han descubierto que la impresión 3D se adapta bien al uso de gemelos digitales. ¿Por qué? Por su propia naturaleza, la fabricación aditiva es digital. Desde el diseño en línea hasta el slicer, pasando por los programas que supervisan todo el proceso de impresión, la automatización y la IA ya han encontrado su lugar en la fabricación aditiva por esta misma razón. Los gemelos digitales no serían más que otra herramienta que añadir.
Pero, ¿cómo se utilizan? Consideremos primero el proceso de integración de los gemelos digitales en la impresión 3D. Como hemos mencionado, un gemelo digital comienza como un modelo 3D. Éste puede realizarse mediante un software CAD o de diseño generativo. Además, cada vez se utiliza más el escaneado 3D, ya que crea un modelo preciso de la pieza en cuestión. Más allá del diseño inicial, ya existen en el mercado varios programas de software desarrollados específicamente para trabajar con gemelos digitales, incluso para la impresión en 3D. Por ejemplo, los de Siemens, Simio o Netfabb. Esto facilita la integración, lo que propaga aún más el uso en general en la fabricación aditiva. Por no mencionar que es fácil ver cómo podría utilizarse para aplicaciones como la ingeniería inversa de piezas de recambio gracias a su capacidad para recrear los productos.
Por último, también hay que tener en cuenta las diferentes formas que pueden adoptar los gemelos digitales. Según un informe, los gemelos digitales pueden dividirse en cuatro categorías para la fabricación aditiva: de procesos, de equipos, de instalaciones y de productos. Como su nombre indica, se centran en diferentes áreas del proceso de fabricación. Los gemelos digitales de proceso pueden utilizarse para reproducir una versión digital del proceso de impresión 3D para el diseño, la producción y el mantenimiento. Del mismo modo, los gemelos digitales de equipos pueden replicar impresoras, proporcionando información clave para las tareas de mantenimiento. Los gemelos digitales de instalaciones son una mezcla de los dos primeros, pero a mayor escala, teniendo en cuenta toda la planta de la fábrica. Por último, y de lo que hablaremos sobre todo en esta guía, los gemelos digitales de producto son representaciones de un producto y una pieza que permiten optimizarlos, probarlos, diseñarlos y analizarlos para predecir su rendimiento.
Una representación de cómo funcionan los gemelos digitales con la impresión 3D. (Créditos: Zhang, Li, Xiaoqi Chen, Wei Zhou, Taobo Cheng, Lijia Chen, Zhen Guo, Bing Han and Longxing Lu)
¿Por qué integrar los gemelos digitales en la industria 3D?
La combinación de los gemelos digitales con la impresión 3D también ofrece muchas ventajas. Sobre todo en lo que respecta al control de calidad de las piezas. Aunque la fabricación aditiva ha cambiado mucho desde sus orígenes como prototipado rápido, con cada vez más piezas de uso final en el mercado, el control de calidad sigue siendo una preocupación. De hecho, debido a su propia naturaleza, la impresión 3D a menudo requiere pruebas exhaustivas para garantizar los parámetros correctos para evitar fallos. Pero esto contrasta directamente con dos de las mayores ventajas de la fabricación aditiva: el coste y la reducción de material.
Afortunadamente, gracias al uso de gemelos digitales, esto puede solucionarse. Los gemelos digitales permiten a los usuarios evaluar directamente los parámetros gracias al flujo continuo de datos debido a la retroalimentación. Esto, a su vez, permite optimizar dichos parámetros sin necesidad de realizar pruebas físicas. Además, con los gemelos digitales es posible realizar un seguimiento en tiempo real de todo el proceso de impresión 3D, lo que permite una precisión aún mayor de las impresiones finales. Esto hace que el control de calidad sea más fiable. Esto es especialmente importante cuando se trata de procesos más industriales, incluida la fabricación aditiva de metal mediante métodos como el proceso LPBF, ya que también podría aumentar la coherencia.
Además, los gemelos digitales no sólo se utilizan para piezas individuales. De hecho, se pueden hacer para toda una fábrica. Esto haría que la industrialización fuera más factible para la fabricación aditiva, ya que las granjas de impresoras 3D podrían optimizarse no sólo a nivel individual, sino en toda la planta para una producción más eficaz.
Esto no quiere decir que no siga habiendo retos que superar. La definición y el desarrollo reales de un gemelo digital siguen siendo bastante difíciles, entre otras cosas porque, como han señalado muchos estudiosos, el marco en sí no se entiende bien. Sin embargo, cuanto más se utilicen conjuntamente los gemelos digitales y la impresión 3D, más rápidamente se superará ese obstáculo. Esto ya está ocurriendo a gran escala, especialmente con el creciente uso de la IA y de herramientas más sofisticadas para el aprendizaje automático (machine learning). Sin duda será interesante ver cómo se utilizan juntos los gemelos digitales y la impresión 3D en el futuro y cómo cambiará la producción industrial.
El uso de gemelos digitales en la impresión 3D está en aumento, especialmente para piezas como turbinas. (Créditos: Konica Minolta)
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*Créditos foto de portada: Norlà Corporation
