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Gemelo digital

Más allá de la simulación para gestionar la complejidad.

¿Qué es un gemelo digital?

Entender en qué consiste un gemelo digital es bastante sencillo. Una forma importante de afrontar los retos del desarrollo de sistemas complejos es construir un conjunto de modelos muy precisos que ayuden a predecir el comportamiento del producto durante todas las fases del ciclo de vida. Estos modelos, llamados "gemelos digitales", se presentan en múltiples escalas e instancias para diversas aplicaciones, integran múltiples aspectos físicos, contienen las mejores descripciones físicas disponibles y reflejan el producto real y su proceso de producción.

El concepto es aplicable en las distintas fases del ciclo de vida de un producto o sistema:

  • Fase de ideación, con un gemelo digital del producto que ayuda a definir/mejorar los diseños y analizar el rendimiento.
  • Fase de realización, con un gemelo digital del proceso de fabricación.
  • Fase de utilización, con un gemelo digital del producto en servicio y hasta su retirada.

Cuando las empresas integran todos estos gemelos digitales, dan lugar a un gemelo digital completo, que se convierte en la base del proceso de desarrollo del producto y es capaz de ofrecer una mayor visión, reducir el tiempo del ciclo de desarrollo y mejorar la eficiencia.

Gemelo digital de Siemens
El gemelo digital es una representación virtual y en tiempo real de un objeto o proceso físico.

El concepto

Apolo 13: el primer gemelo digital

El concepto de utilizar modelos que imitan el comportamiento de productos reales no es nuevo. Por ejemplo, el programa Apolo de la NASA utilizó vehículos espaciales idénticos para que uno de los vehículos pudiera utilizarse para probar procedimientos en la tierra mientras el otro estaba en el espacio.

El primer uso del concepto "gemelo digital" apareció en un informe de la NASA en 2010 y se definió de la siguiente manera:

"Un gemelo digital es una simulación integrada multifísica y multiescala de un vehículo o sistema que utiliza los mejores modelos físicos disponibles, las actualizaciones de los sensores, el historial de la flota, etc., para reflejar la vida de su correspondiente gemelo volante".

La tecnología del gemelo digital

Existen tres tipos de gemelo digital, cada uno de los cuales se basa en las otras versiones de sí mismo y las retroalimenta:

  • Gemelo digital del producto.
  • Gemelo digital de la producción.
  • Gemelo digital del rendimiento.

El gemelo digital del producto se crea ya en la fase de definición y diseño de un producto planificado. Esto permite a los ingenieros simular y validar las propiedades del producto en función de los requisitos: estabilidad, usabilidad, fiabilidad, etc. Tanto si se trata de la mecánica, la electrónica, el software o el rendimiento del sistema, el gemelo digital puede utilizarse para probar y optimizar todos estos elementos por adelantado.

El gemelo digital de la producción implica todos los aspectos de la misma: desde las máquinas y los controladores de la planta hasta las líneas de producción completas en el entorno virtual. Como resultado, las fuentes de error pueden identificarse y, los errores, prevenirse antes de que se ponga en marcha el proceso de fabricación real. Esto ahorra tiempo y sienta las bases para una producción en masa personalizada, ya que incluso los planes de producción más complejos pueden calcularse, probarse y programarse con un coste y un esfuerzo mínimos en muy poco tiempo.

El gemelo digital del rendimiento es diferente. Aunque muchos fabricantes ya utilizan los del producto y la producción, carecen de la capacidad para habilitar completamente el gemelo digital del rendimiento y crear el bucle de retroalimentación necesario para dar lugar a un gemelo digital de bucle cerrado. Para ello, es necesaria una solución de IoT basada en la nube que no solo pueda supervisar los activos de forma remota, sino que también se integre sin problemas con las demás tecnologías utilizadas en los modelos de producto y producción.

Siemens es la empresa más innovadora en este campo: la única que ofrece un gemelo digital de bucle cerrado (ver figura abajo). Su solución de IoT industrial como servicio añade el gemelo digital del rendimiento a un ya robusto gemelo digital del producto y de la producción. El hilo digital completo se gestiona con soluciones de software integradas -CAD, CAM, CAE, PDM e IoT-, lo que favorece la transparencia operativa y un gemelo digital de bucle cerrado que abarca la totalidad de la empresa y todo el ciclo de vida del producto. Con todos los procesos conectados y actualizados en tiempo real, puedes aprovechar el gemelo digital de bucle cerrado para impulsar un mantenimiento más inteligente en todos los productos, plantas, sistemas y máquinas.

El hilo digital

El concepto "hilo digital" está relacionado con el gemelo digital. El hilo digital recopila información y datos sobre modelos, procesos y recursos, desde los requisitos hasta el diseño y la ingeniería y el uso para el gemelo digital. Y, lo hace en todas las áreas funcionales y para todas las partes interesadas. Así, donde el gemelo digital puede considerarse como la entidad virtual que puede predecir el rendimiento, el hilo digital realiza un seguimiento de la evolución del gemelo digital y ayuda a mantenerlo actualizado y vigente.

digital-thread

¿Por qué el gemelo digital será la base de la industria futura?

Los gemelos digitales serán la base de la innovación del futuro debido a su capacidad de ofrecer representaciones virtuales de productos, sistemas y ciudades del mundo real.

Por ejemplo, el gemelo digital de un motor eléctrico no solo muestra la forma, sino que también analiza sus funciones: desde la rotación del eje hasta la conductividad térmica, pasando por los datos de los sensores. Es más, el gemelo digital evoluciona continuamente gracias al flujo de datos, a las opiniones de los usuarios y a nuevas aportaciones. Y, esto tiene un gran impacto en el desarrollo, la producción y el funcionamiento.

Durante su desarrollo, puede simularse y probarse el comportamiento de un producto mucho antes de que se haya construido un prototipo físico. Siemens utilizó el gemelo digital para desarrollar un motor eléctrico de avión que pesa 50 kilogramos y que es cinco veces más potente que otros motores eléctricos comparables.

Pero, la cosa no acaba ahí. Los gemelos digitales también dan rienda suelta al poder de la impresión en 3D. En un estudio reciente sobre sistemas de mezcla de gases, se combinaron los conocimientos de la simulación del comportamiento de la forma y el flujo con algoritmos generativos. ¿El resultado? Una forma y una configuración de canal realmente únicas, mucho más eficaces que las diseñadas anteriormente.

En el ámbito de la producción, se pueden simular y probar desde máquinas individuales hasta fábricas enteras. Por ejemplo: los robots. Para ellos resulta difícil realizar tareas de fresado porque las grandes fuerzas del proceso de fabricación provocan movimientos imprecisos. Pero, con un gemelo digital, las fuerzas que alejan al robot de la trayectoria de fresado pueden calcularse y compensarse en tiempo real para mantener al robot en su trayectoria.

En cuanto a las operaciones, los gemelos digitales pueden comparar los datos de los sensores de un punto determinado, en tiempo real, gracias a la simulación del mismo. La disponibilidad del punto en paralelo a las operaciones puede predecirse de forma fiable y las interrupciones repentinas pasan a ser cosa del pasado.

Y, esto es solo el principio. La fusión del gemelo digital con la inteligencia artificial permite a los ordenadores diseñar de forma independiente productos avanzados.

El gemelo digital rompe con los paradigmas tradicionales y abre las puertas a posibilidades extraordinarias. Por eso, los gemelos digitales son la base de la innovación del futuro.

Beneficios de un enfoque basado en el gemelo digital

Reducción de los riesgos y mejora del rendimiento

Digital Twin

El gemelo digital incluye toda la información necesaria para predecir, continuamente, el rendimiento del producto, la vida útil restante o, en el caso de algunas aplicaciones, incluso las probabilidades de éxito de una misión. También, puede predecir la respuesta del sistema a eventos críticos para la seguridad y comparar las respuestas previstas y las reales para detectar problemas, previamente desconocidos, antes de que se vuelvan críticos.

En última instancia, si están disponibles al máximo de sus capacidades, los gemelos digitales podrían ser capaces de mitigar los daños o la degradación. Podrían activar mecanismos de autocuración o recomendar cambios en el perfil de una misión para disminuir las cargas y, así, aumentar tanto la vida útil como las probabilidades de éxito de la misión. O, podrían sugerir actualizaciones de los sistemas inteligentes para mejorar el rendimiento del producto y reducir el consumo de combustible.

Reducción de los costes operativos y del producto

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Tradicionalmente, el enfoque ha consistido en suponer unas condiciones adecuadamente severas durante el diseño y el posterior seguimiento del uso, así como unos factores de seguridad bastante elevados. Este enfoque es muy conservador y da lugar a productos que pueden ser más pesados de lo que deberían y que requieren inspecciones más frecuentes de lo necesario.

Gracias a la precisión de sus modelos, un gemelo digital puede reducir las tolerancias de diseño, teniendo en cuenta las incertidumbres de fabricación y la variabilidad estocástica de las propiedades de los materiales y del uso del producto. Esto supone una enorme reducción de costes en todos los aspectos, incluidos el uso de materiales durante la producción y el consumo de combustible, así como una mejor planificación de la inspección y el mantenimiento.

Reducción del tiempo de desarrollo y de los costes de fabricación

Digital Twin of a carAl proporcionar una visión integrada de los distintos aspectos físicos y de comportamiento del producto, el gemelo digital permite equilibrar, simultáneamente, todos los requisitos de rendimiento funcional a lo largo de todo el ciclo de desarrollo, desde el concepto inicial hasta la ingeniería de detalle y la validación final. Los gemelos digitales también pueden proporcionar una visión más temprana y más amplia de cómo interactúan los sistemas y sus posibles errores. Esto evitará varias pruebas y reparaciones y reducirá, en gran medida, el tiempo necesario para obtener un producto listo para la producción.

Innovación creciente

El uso sistemático de los gemelos digitales para explorar el diseño, integrar los datos del IoT y comprender mejor las interacciones de los diferentes sistemas generará nuevas y enormes perspectivas para los equipos de desarrollo de productos. A su vez, estos conocimientos impulsarán una innovación más rápida, a medida que surjan nuevas ideas que nunca antes se habían considerado.

Libro blanco

Maturing simulation and test capabilities for the digital twin

Este libro blanco de Siemens explica qué es un gemelo digital, su valor y cómo las empresas pueden sacarle partido.

Además, se presenta la cartera de productos Simcenter.

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¿Quieres saber más sobre el gemelo digital?

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