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Industria 4.0: El Futuro de la Productividad y el Crecimiento en las Industrias Manufactureras

Los avances tecnológicos han impulsado aumentos dramáticos en la productividad industrial desde los albores de la Revolución Industrial. Las fábricas impulsadas por motores de vapor en el siglo XIX, la electrificación condujo a la producción en masa a principios del siglo XX, y la industria se automatizó en los años setenta. Sin embargo, en las décadas que siguieron, los avances tecnológicos industriales fueron solo incrementales, especialmente en comparación con los avances que transformaron la TI, las comunicaciones móviles y el comercio electrónico.

Industria 4.0: El Futuro de la Productividad y el Crecimiento en las Industrias Manufactureras

Ahora, sin embargo, estamos en medio de una cuarta ola de avances tecnológicos: el auge de la nueva tecnología industrial digital conocida como Industria 4.0, una transformación que se basa en nueve avances tecnológicos fundamentales. (Consulte el Anexo 1). En esta transformación, los sensores, las máquinas, las piezas y los sistemas de TI se conectarán a lo largo de la cadena de valor más allá de una sola empresa. Estos sistemas conectados (también conocidos como sistemas ciberfísicos) pueden interactuar entre sí utilizando protocolos estándar basados ​​en Internet y analizar datos para predecir fallas, configurarse y adaptarse a los cambios. Industry 4.0 hará posible recopilar y analizar datos en máquinas, permitiendo procesos más rápidos, más flexibles y más eficientes para producir bienes de mayor calidad a costos reducidos. Esto a su vez aumentará la productividad de fabricación, cambiará la economía.

LOS NUEVE PILARES DEL AVANCE TECNOLÓGICO

Este informe describe las nueve tendencias tecnológicas que son los componentes básicos de la Industria 4.0 y explora sus beneficios técnicos y económicos potenciales para los fabricantes y proveedores de equipos de producción. Para demostrar nuestros hallazgos, utilizamos estudios de casos de Alemania, que es reconocido como un líder mundial en automatización industrial.

LOS NUEVE PILARES DEL AVANCE TECNOLÓGICO

Muchos de los nueve avances en tecnología que forman la base de la Industria 4.0 ya se utilizan en la fabricación, pero con la Industria 4.0 transformarán la producción: las células aisladas y optimizadas se unirán como un flujo de producción completamente integrado, automatizado y optimizado, liderando a mayores eficiencias y cambios en las relaciones de producción tradicionales entre proveedores, productores y clientes, así como entre humanos y máquinas.

LA BIG DATA Y DATA ANALYTICS

LA BIG DATA Y DATA ANALYTICS

Los análisis basados ​​en grandes conjuntos de datos han surgido recientemente en el mundo de la fabricación, donde optimiza la calidad de la producción, ahorra energía y mejora el servicio de los equipos. En un contexto de la Industria 4.0, la recopilación y evaluación exhaustiva de datos de muchas fuentes diferentes (equipos y sistemas de producción, así como sistemas de gestión empresarial y de clientes) se convertirá en estándar para respaldar la toma de decisiones en tiempo real.

Por ejemplo, el fabricante de semiconductores Infineon Technologies ha reducido las fallas en los productos al correlacionar los datos de un solo chip capturados en la fase de prueba al final del proceso de producción con los datos del proceso recopilados en la fase de estado de obleas anteriormente en el proceso. De esta manera, Infineon puede identificar patrones que ayudan a descargar chips defectuosos al principio del proceso de producción y mejorar la calidad de la producción.

ROBOTS AUTÓNOMOS

Los fabricantes en muchas industrias han usado robots durante mucho tiempo para abordar tareas complejas, pero los robots están evolucionando para una utilidad aún mayor. Se están volviendo más autónomos, flexibles y cooperativos. Eventualmente, interactuarán entre sí y trabajarán de forma segura al lado de los humanos y aprenderán de ellos. Estos robots costarán menos y tendrán una gama más amplia de capacidades que los utilizados en la fabricación actual.

Por ejemplo, Kuka, un fabricante europeo de equipos robóticos, ofrece robots autónomos que interactúan entre sí. Estos robots están interconectados para que puedan trabajar juntos y ajustar automáticamente sus acciones para que se ajusten al siguiente producto inacabado de la línea. Los sensores de gama alta y las unidades de control permiten una estrecha colaboración con los seres humanos. De manera similar, el proveedor de robots industriales ABB está lanzando un robot de dos brazos llamado YuMi que está diseñado específicamente para ensamblar productos (como la electrónica de consumo) junto con los humanos. Los dos brazos acolchados y la visión por computadora permiten una interacción segura y el reconocimiento de piezas.

SIMULACIÓN

En la fase de ingeniería, ya se utilizan simulaciones en 3D de productos, materiales y procesos de producción, pero en el futuro, las simulaciones también se utilizarán más ampliamente en las operaciones de la planta. Estas simulaciones aprovecharán los datos en tiempo real para reflejar el mundo físico en un modelo virtual, que puede incluir máquinas, productos y personas. Esto permite a los operadores probar y optimizar la configuración de la máquina para el próximo producto en línea en el mundo virtual antes del cambio físico, lo que reduce los tiempos de configuración de la máquina y aumenta la calidad.

Por ejemplo, Siemens y un proveedor alemán de máquina-herramienta desarrollaron una máquina virtual que puede simular el mecanizado de piezas utilizando datos de la máquina física. Esto reduce el tiempo de configuración del proceso de mecanizado real hasta en un 80 por ciento.

INTEGRACIÓN HORIZONTAL Y VERTICAL DEL SISTEMA

La mayoría de los sistemas de TI actuales no están completamente integrados. Las empresas, los proveedores y los clientes rara vez están estrechamente vinculados. Tampoco los departamentos como ingeniería, producción y servicio. Las funciones de la empresa al nivel de la tienda no están totalmente integradas. Incluso la propia ingeniería, desde los productos hasta las plantas y la automatización, carece de integración completa. Pero con la Industria 4.0, las compañías, los departamentos, las funciones y las capacidades se volverán mucho más cohesivos a medida que las redes de integración de datos universales y entre compañías evolucionen y permitan cadenas de valor verdaderamente automatizadas.

Por ejemplo, Dassault Systèmes y BoostAeroSpace lanzaron una plataforma de colaboración para la industria aeroespacial y de defensa europea. La plataforma, AirDesign, sirve como un espacio de trabajo común para la colaboración de diseño y fabricación y está disponible como un servicio en una nube privada. Gestiona la compleja tarea de intercambiar datos de productos y producción entre múltiples socios.

EL INTERNET INDUSTRIAL DE LAS COSAS

Hoy en día, solo algunos de los sensores y máquinas de un fabricante están conectados en red y utilizan la computación integrada. Por lo general, están organizados en una pirámide de automatización vertical en la que sensores y dispositivos de campo con inteligencia limitada y controladores de automatización se incorporan a un sistema de control de procesos de fabricación general. Pero con la Internet Industrial de las Cosas, más dispositivos, en ocasiones incluso productos sin terminar, se enriquecerán con la computación integrada y se conectarán utilizando tecnologías estándar. Esto permite que los dispositivos de campo se comuniquen e interactúen entre sí y con controladores más centralizados, según sea necesario. También descentraliza el análisis y la toma de decisiones, permitiendo respuestas en tiempo real.

Bosch Rexroth, un proveedor de sistemas de control y accionamiento, equipó una instalación de producción para válvulas con un proceso de producción semiautomatizado y descentralizado. Los productos se identifican mediante códigos de identificación por radiofrecuencia y las estaciones de trabajo “saben” qué pasos de fabricación deben realizarse para cada producto y pueden adaptarse para realizar la operación específica.

LA SEGURIDAD CIBERNÉTICA

Muchas empresas todavía dependen de sistemas de administración y producción que están desconectados o cerrados. Con la mayor conectividad y el uso de los protocolos de comunicaciones estándar que vienen con la Industria 4.0, la necesidad de proteger los sistemas industriales críticos y las líneas de fabricación de las amenazas de ciberseguridad aumenta dramáticamente. Como resultado, son esenciales las comunicaciones seguras y confiables, así como la sofisticada administración de la identidad y el acceso de las máquinas y los usuarios.

Durante el año pasado, varios proveedores de equipos industriales se unieron con compañías de seguridad cibernética a través de asociaciones o adquisiciones.

LA NUBE

Las empresas ya están usando software basado en la nube para algunas aplicaciones empresariales y analíticas, pero con la Industria 4.0, más empresas relacionadas con la producción requerirán un mayor intercambio de datos entre los sitios y los límites de la empresa. Al mismo tiempo, el rendimiento de las tecnologías de nube mejorará, logrando tiempos de reacción de solo varios milisegundos. Como resultado, los datos y la funcionalidad de la máquina se implementarán cada vez más en la nube, lo que permitirá más servicios basados ​​en datos para los sistemas de producción. Incluso los sistemas que supervisan y controlan los procesos pueden basarse en la nube.

Los proveedores de sistemas de ejecución de fabricación se encuentran entre las compañías que han comenzado a ofrecer soluciones basadas en la nube.

FABRICACIÓN ADITIVA

Las empresas recién han comenzado a adoptar la fabricación aditiva, como la impresión 3D, que utilizan principalmente para crear prototipos y producir componentes individuales. Con la Industria 4.0, estos métodos de fabricación de aditivos se utilizarán ampliamente para producir pequeños lotes de productos personalizados que ofrezcan ventajas de construcción, tales como diseños complejos y livianos. Los sistemas de fabricación de aditivos descentralizados de alto rendimiento reducirán las distancias de transporte y el stock disponible.

Por ejemplo, las compañías aeroespaciales ya están utilizando la fabricación aditiva para aplicar nuevos diseños que reducen el peso de los aviones, reduciendo sus gastos en materias primas como el titanio.

REALIDAD AUMENTADA

Los sistemas basados ​​en realidad aumentada admiten una variedad de servicios, como la selección de piezas en un almacén y el envío de instrucciones de reparación a través de dispositivos móviles. Estos sistemas se encuentran actualmente en su infancia, pero en el futuro, las compañías harán un uso mucho más amplio de la realidad aumentada para proporcionar a los trabajadores información en tiempo real para mejorar la toma de decisiones y los procedimientos de trabajo.

Por ejemplo, los trabajadores pueden recibir instrucciones de reparación sobre cómo reemplazar una pieza en particular mientras miran el sistema real que necesita reparación. Esta información se puede mostrar directamente en el campo de visión de los trabajadores usando dispositivos como gafas de realidad aumentada.

Otra aplicación es la formación virtual. Siemens ha desarrollado un módulo de capacitación de operador de planta virtual para su software Comos que utiliza un entorno 3D realista basado en datos con gafas de realidad aumentada para capacitar al personal de planta para manejar emergencias. En este mundo virtual, los operadores pueden aprender a interactuar con las máquinas haciendo clic en una representación cibernética. También pueden cambiar los parámetros y recuperar datos operativos e instrucciones de mantenimiento.

El Impacto de la Industria 4.0

La carrera para adoptar elementos de la Industria 4.0 ya está en marcha entre las empresas de Europa, los Estados Unidos y Asia.

Cuantificando el Impacto de la Industria 4.0: Alemania como Ejemplo

Para proporcionar una comprensión cuantitativa del impacto mundial potencial de Industry 4.0, analizamos las perspectivas de fabricación en Alemania y descubrimos que la cuarta ola de avances tecnológicos traerá beneficios en cuatro áreas:

  • Productividad. Durante los próximos cinco a diez años, la industria 4.0 será acogida por más compañías, lo que aumentará la productividad en todos los sectores manufactureros alemanes entre 90.000 y 150.000 millones de euros. Las mejoras de productividad en los costos de conversión, que excluyen el costo de los materiales, oscilarán entre el 15 y el 25 por ciento. Cuando se tengan en cuenta los costos de los materiales, se lograrán ganancias de productividad del 5 al 8 por ciento. Estas mejoras variarán según la industria. Los fabricantes de componentes industriales pueden lograr algunas de las mayores mejoras de productividad (20 a 30 por ciento), por ejemplo, y las compañías automotrices pueden esperar aumentos de 10 a 20 por ciento.
  • Crecimiento de ingresos. La industria 4.0 también impulsará el crecimiento de los ingresos. La demanda de los fabricantes de equipos mejorados y nuevas aplicaciones de datos, así como la demanda de los consumidores de una variedad más amplia de productos cada vez más personalizados, impulsará un crecimiento de ingresos adicional de unos € 30 mil millones al año, o aproximadamente el 1 por ciento del PIB de Alemania.
  • Empleo. En nuestro análisis del impacto de Industry 4.0 en la manufactura alemana, encontramos que el crecimiento que estimula conducirá a un aumento del 6 por ciento en el empleo durante los próximos diez años. (Vea el Anexo 4). Y la demanda de empleados en el sector de ingeniería mecánica puede aumentar aún más, hasta en un 10 por ciento durante el mismo período. Sin embargo, se requerirán diferentes habilidades. A corto plazo, la tendencia hacia una mayor automatización desplazará a algunos de los trabajadores a menudo poco calificados que realizan tareas simples y repetitivas. Al mismo tiempo, el uso creciente de software, conectividad y análisis aumentará la demanda de empleados con competencias en desarrollo de software y tecnologías de TI, como expertos en mecatrónica con habilidades de software. (La mecatrónica es un campo de ingeniería que comprende múltiples disciplinas de ingeniería.
  • Inversión. Adaptar los procesos de producción para incorporar la Industria 4.0 requerirá que los productores alemanes inviertan alrededor de 250 mil millones de euros durante los próximos diez años (aproximadamente 1 a 1.5 por ciento de los ingresos de los fabricantes).
beneficios estimados en Alemania

Los beneficios estimados en Alemania ilustran el impacto potencial de la Industria 4.0 para la fabricación a nivel mundial. La industria 4.0 tendrá un efecto directo en los productores y su fuerza laboral, así como en las empresas que suministran sistemas de fabricación.

Productores frente a la Industria 4.0

Productores frente a la Industria 4.0

La próxima ola de fabricación afectará a toda la cadena de valor de los productores, desde el diseño hasta el servicio postventa:

A lo largo de la cadena de valor, los procesos de producción se optimizarán a través de sistemas de TI integrados. Como resultado, las células de fabricación insular actuales serán reemplazadas por líneas de producción totalmente automatizadas e integradas.

Los productos, los procesos de producción y la automatización de la producción se diseñarán y se encargarán virtualmente en un proceso integrado y a través de la colaboración de productores y proveedores. Los prototipos físicos se reducirán a un mínimo absoluto.

LOS FABRICANTES DE COMPONENTES SE BENEFICIAN DE UNA MAYOR FLEXIBILIDAD

Los procesos de fabricación aumentarán en flexibilidad y permitirán la producción económica de pequeños lotes. Los robots, las máquinas inteligentes y los productos inteligentes que se comunican entre sí y toman ciertas decisiones autónomas proporcionarán esta flexibilidad.

AUTOMÓVILES Y LA PRÓXIMA ONDA DE AUTOMATIZACIÓN

Los procesos de fabricación se mejorarán a través del aprendizaje y la optimización automática de los equipos que, por ejemplo, ajustarán sus propios parámetros a medida que detecten ciertas propiedades del producto sin terminar.

La logística automatizada, utilizando vehículos autónomos y robots, se ajustará automáticamente a las necesidades de producción.

La Industria 4.0 permite una respuesta más rápida a las necesidades del cliente de lo que es posible hoy. Mejora la flexibilidad, la velocidad, la productividad y la calidad del proceso de producción. Y sienta las bases para la adopción de nuevos modelos de negocios, procesos de producción y otras innovaciones. Esto permitirá un nuevo nivel de personalización masiva a medida que más productores industriales inviertan en tecnologías de la Industria 4.0 para mejorar y personalizar sus ofertas.

Proveedores de Sistemas de Fabricación

A medida que los fabricantes exigen la mayor conectividad e interacción de las máquinas y sistemas compatibles con la Industria 4.0 en sus fábricas, los proveedores de sistemas de fabricación tendrán que ampliar el rol de TI en sus productos. Es probable que los cambios incluyan una mayor modularización de la funcionalidad con implementaciones en la nube y en dispositivos integrados. Con los aumentos en la funcionalidad general y la complejidad de los sistemas, surge la necesidad de una mayor distribución de la toma de decisiones. Además, los portales en línea para descargar software y relaciones de colaboración con socios pueden ofrecer configuraciones de equipos más flexibles y adaptables. Las arquitecturas de automatización también evolucionarán para diferentes casos de uso. Los proveedores deberán prepararse para estos diversos escenarios y apoyar estos cambios.

Los proveedores de automatización industrial y la mayoría de los fabricantes de máquinas-herramienta han desarrollado importantes capacidades de desarrollo de software, pero la Industria 4.0 requerirá aún más. Además, estos proveedores tendrán que competir con los jugadores de TI que se están moviendo hacia el creciente mercado de aplicaciones relacionadas con la producción y en el área de producción y los servicios basados ​​en datos.

La creciente interconectividad de máquinas, productos, piezas y personas también requerirá nuevos estándares internacionales que definan la interacción de estos elementos en la fábrica digital del futuro. Los esfuerzos para desarrollar estos estándares están en su infancia, pero están siendo impulsados ​​por los organismos de normalización tradicionales y los consorcios emergentes. El alemán Plattform Industrie 4.0 fue el primer conductor, pero el Industrial Internet Consortium (IIC), con sede en EE. UU. Y fundado en marzo de 2014 por empresas de manufactura, Internet, TI y telecomunicaciones, se ha convertido en una alternativa importante. Posteriormente, se formó en Alemania un nuevo cuerpo, Dialogplattform Industrie 4.0, para contrarrestar la sólida posición de la CII. Varias otras organizaciones de estandarización tienen ambiciones en el campo.

El Camino a Seguir frente a la Tecnología Industria 4.0

Las industrias y los países adoptarán Industria 4.0 a diferentes tasas y de diferentes maneras. Las industrias con un alto nivel de variantes de productos, como las industrias automotriz y de alimentos y bebidas, se beneficiarán de un mayor grado de flexibilidad que puede generar ganancias de productividad, por ejemplo, y las industrias que demandan alta calidad, como los semiconductores y los productos farmacéuticos. , se beneficiarán de las mejoras impulsadas por el análisis de datos que reducen las tasas de error.

Los países con mano de obra calificada de alto costo podrán capitalizar el mayor grado de automatización combinado con la mayor demanda de mano de obra más calificada. Sin embargo, muchos mercados emergentes con una fuerza laboral joven y conocedora de la tecnología también podrían aprovechar la oportunidad e incluso crear conceptos de fabricación completamente nuevos.

Para moldear activamente la transformación, los productores y proveedores de sistemas deben tomar medidas decisivas para abarcar los nueve pilares del avance tecnológico. También deben abordar la necesidad de adaptar la infraestructura y la educación apropiadas.

Los Productores deben establecer prioridades y actualizar la Fuerza Laboral

Los productores deben establecer prioridades entre sus procesos de producción y mejorar las competencias de su fuerza laboral, de la siguiente manera:

Identifique las áreas clave de mejora, como la flexibilidad, la velocidad, la productividad y la calidad. Luego, considere cómo los nueve pilares del avance tecnológico pueden impulsar la mejora en las áreas designadas. Evite atascarse en los enfoques incrementales; en su lugar, considere cambios más fundamentales habilitados por una combinación de las nueve tecnologías.

Analice el impacto a largo plazo en la fuerza laboral y realice la planificación estratégica de la fuerza laboral. Adapte los roles, el reclutamiento y la capacitación vocacional para preparar a la fuerza laboral con las habilidades de TI adicionales que serán necesarias.

Si bien estas mejoras ya tienen un potencial significativo para las industrias existentes, los campos emergentes podrían usar la tecnología Industry 4.0 para interrumpir los estándares existentes mediante diseños de fábrica innovadores y procesos de producción.

Los Proveedores deben Aprovechar las Tecnologías

Los proveedores de sistemas de fabricación deben comprender cómo pueden emplear tecnologías en nuevos casos de uso para ofrecer los mayores beneficios a sus clientes. Estas tecnologías se pueden aprovechar para diferentes ofertas, como la mejora de los sistemas integrados en red y la automatización, el desarrollo de nuevos productos de software y la entrega de nuevos servicios, como los servicios basados ​​en análisis. Para construir estas ofertas, deben poner las bases correctas en su lugar:

  • Defina qué modelo de negocio aprovechar para sus ofertas nuevas o mejoradas.
  • Construir la base tecnológica, como la base de herramientas para el análisis.
  • Construir la estructura de la organización y las capacidades adecuadas.
  • Desarrollar asociaciones que son esenciales en el mundo digital.
  • Participar y dar forma a la estandarización tecnológica.
  • Paralelamente, los proveedores de sistemas necesitan construir una visión basada en escenarios de la evolución de la industria a largo plazo y garantizar que su estrategia los prepare para los escenarios más probables.

La Infraestructura y Educación deben ser Adaptadas a las Nuevas Tecnologías

Tanto los productores como los proveedores deben trabajar para adaptar la infraestructura y la educación a medida que adoptan las tecnologías de la Industria 4.0. Esto se aborda mejor a través de un esfuerzo combinado que involucre al gobierno, asociaciones industriales y empresas para lograr lo siguiente:

  • Mejorar la infraestructura tecnológica, como los servicios de banda ancha fija y móvil. La infraestructura debe ser rápida, segura y lo suficientemente confiable para que las empresas dependan de ella para obtener datos casi en tiempo real.
  • Adapte los programas escolares, la capacitación y los programas universitarios, y fortalezca los enfoques empresariales para aumentar las habilidades relacionadas con las TI y las capacidades de innovación de la fuerza laboral

La industria 4.0 presenta grandes oportunidades para productores innovadores, proveedores de sistemas y regiones enteras. Pero, al igual que con los desarrollos de transformación anteriores, la Industria 4.0 también representa una grave amenaza para los rezagados. A medida que los modelos de negocios, la economía y los requisitos de habilidades cambian, podríamos ver cambios importantes en las posiciones principales, tanto a nivel de la empresa como a nivel regional.

Nos gustaría agradecer a nuestros colegas Martin Hecker, Kelly Howe, Massimo Russo, Daniel Küpper, Daniel Spindelndreier, Skye Whiteman y Michael Zinser por sus contribuciones a este informe.

Escrito originalmente por Philipp Gerbert, Markus Lorenz, Michael Russmann , Manuela Waldner, Ene Justus, Pascal Engel, y Michael Harnisch para BCG .com

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