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La NASA definió en los años 80 la escala TRL, del inglés Technology Readiness Level, la cual ha ido evolucionando a lo largo de los años hasta los actuales nueve niveles

El Valle de la Muerte: cruzando el MRL 6-7

Roberto Polvorosa, Iker Cerrillo, Silvia Martínez, Adrián Rodriguez, Asier Fernández, Izaro Ayesta, Departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela de Ingeniería de Bilbao. Universidad del País Vasco (UPV/EHU)15/06/2017
La palabra ‘Tecnología’ engloba un amplio espectro del estado de las cosas. Dentro de ella tienen cabida todo tipo de aplicaciones o procesos en cualquier fase del estado de la técnica, tanto de fases muy iniciales con escasa penetración industrial, como aplicaciones finales plenamente establecidas. Es por ello necesario evaluar y encuadrar de alguna forma el estado en el que se encuentra determinada tecnología, proceso o aplicación.

La NASA definió en los años 80 la escala TRL, del inglés Technology Readiness Level, la cual ha ido evolucionando a lo largo de los años hasta los actuales nueve niveles. Esta escala mide el nivel de madurez de una tecnología y, actualmente, hay diferentes definiciones en función del organismo que la interpreta. Así, a pesar de que la escala original procede de la NASA, existen adicionalmente la definición del Departamento de Defensa de los Estados Unidos, la definición de la ESA (Agencia Espacial Europea), la definición de la Comisión Europea, la definición de la industria Oil&Gas y otras.

El uso de una escala de este tipo permite servir de ayuda en la toma de decisiones, así como para gestionar el progreso en la actividad investigadora en una organización, permitiendo enfocar de forma muy efectiva los esfuerzos de investigación en cuanto a la cercanía del producto a la aplicación final, por ejemplo.

Como ya se ha comentado, la escala original fue propuesta y refinada por la NASA en los años 80, para todo tipo de tecnologías aeroespaciales, pero desde 2005 fue también adaptada para la industria de la fabricación. La escala así propuesta está íntimamente relacionada a la escala TRL original, complementándola, pero enfocada a los procesos de fabricación. Se trata de la escala MRL (Manufacturing Readiness Level), la cual sirve de marco para evaluar la ‘madurez de la fabricación’. Los niveles iniciales de la escala MRL sientan los principios básicos y conceptos de fabricación. Se trata de las etapas con mayor penetración en universidades y centros tecnológicos por constituir la investigación más básica. Este primer grupo de niveles iniciales finalizan con un test final en un demostrador de laboratorio. En este punto estamos situados en un nivel MRL 4 ó 5. Por lo general los centros tecnológicos son capaces de llegar a esta etapa de desarrollo. Por lo tanto, buenas ideas, resultados con grandes expectativas y pruebas exitosas muestran cómo una tecnología determinada puede ser factible. Por desgracia, el tamaño y las limitaciones de las máquinas a este nivel de laboratorio impiden nuevos desarrollos y es necesario cambiar el chip, así como los recursos materiales para acercarse a los niveles de desarrollo presentes en las compañías en niveles MRL altos.

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Figura 1. Los procesos especiales constituyen la punta de lanza de la fabricación avanzada en el CFAA.

Del mismo modo, y observando el otro lado de la escala, las empresas son capaces de llegar hasta el nivel 9, dedicando para ello tiempo, experiencia y recursos. Sin embargo, la producción diaria es muy exigente. En muchos casos de la producción real de la empresa, implica estar ‘apagando fuegos’, hacer frente a situaciones inesperadas, retrasos, incidencias con los clientes y así un largo etcétera. Los niveles finales de la escala corresponden a sistemas plenamente validados y en situaciones reales de funcionamiento.

Por lo tanto, existe una brecha localizada entre los niveles 6 y 7 de MRL (o visto desde la escala TRL, entre los niveles 4 y 7 de la escala TRL), conocido comúnmente como Valle de la Muerte, al que tratan de dar solución centros mixtos como el nuevo Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica (CFAA) que presentaremos en una sección posterior.

El problema del Valle de la Muerte

La zona intermedia de la escala MRL es una zona problemática. Constituye un gap en la interconexión en el esquema de I+D. En esta zona es donde un considerable número de buenas ideas procedentes de ambos extremos pueden detenerse y morir, entre otras razones por el problema que implica la transferencia a un entorno representativo real de los resultados de la investigación básica. El Valle de la Muerte es considerado por algunos como el punto de no retorno desde el cual muchas nuevas ideas en el proceso de innovación fracasan en su progreso, e incluso aquellas ideas que transcurren por él, pueden estancarse entre 5 y 10 años tratando de escapar de él.

Esta zona de la escala MRL es un lugar donde converge la colaboración de entidades públicas como las universidades, y privadas, encabezadas por las empresas. El Valle de la Muerte, como no podía ser de otra forma, tiende a aparecer en el punto en el que una idea conceptual está en disposición de convertirse en un prototipo funcional para demostrar su validez, evaluar los costos de producción y esbozar los equipos y procesos necesarios para la posterior fabricación.

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Figura 2. Niveles TRL de madurez tecnológica y Valle de la Muerte.

En este punto es donde los conocidos Centros de Fabricación Avanzada, de los que hablaremos posteriormente, vienen a dar solución a esta problemática, como un nuevo modelo de relación universidad-empresa. Los trabajos que se realizan en este tipo de centros se orientan a trabajar y desarrollar los niveles problemáticos centrales de la escala MRL, donde se requieren pruebas de validación en entornos representativos, con máquinas muy parecidas y en ocasiones idénticas en cuanto a tamaño y características a las de las empresas. Esto hasta ahora representaba un hándicap muy importante para una empresa por el esfuerzo que puede suponer para su cifra de negocio interrumpir trabajos de producción por ensayos de investigación.

Necesidad de trabajar en el MRL 6-7

Como ha quedado patente en las líneas precedentes, es necesario enfocar progresivamente un mayor número de esfuerzos a resolver el dilema del Valle de la Muerte, logrando superar la barrera que supone esa zona en la generación de conocimiento y la práctica investigadora. Es por esto que han ido surgiendo cada vez con mayor fuerza centros especializados en esa zona de la escala MRL para dar respuesta a este dilema.

La tipología de estos centros es comúnmente de fabricación avanzada, en los que se realiza investigación sobre procesos avanzados en niveles altos de TRL, presentando instalaciones de un nivel superior a las presentes en laboratorios o talleres de mecanizado convencionales como los que pueden tener las universidades y centros tecnológicos, enfocados estos últimos por lo general a estudios muy concretos de investigación básica. En el caso de los centros de fabricación avanzada, las instalaciones, los medios materiales y personales, así como la tipología de proyectos llevados a cabo encuentran mucha similitud a lo que pudiera encontrarse en una empresa de alta tecnología.

Desarrollar la actividad enfocada en este punto del desarrollo de la tecnología, supone superar los obstáculos inherentes a la transferencia del conocimiento generado en niveles bajos de MRL hacía niveles altos y aplicaciones finales. Esto es, acercar los niveles de desarrollo tecnológico habitualmente de la esfera universitaria (MRL 2 a 5) a los niveles de puesta a punto de tecnologías en entornos suficientemente representativos (MRL 6 a 8) que se acercan a la necesidad de producción de las empresas.

Entre las actividades a desarrollar a este nivel se encuentran:

  • La fabricación de prototipos para demostradores funcionales de producto, incluyendo la posibilidad de fabricar el propio banco de ensayos.
  • La demostración y aplicación industrial de nuevos desarrollos de tecnologías horizontales para medición, mecanizado, uniones, utillaje, etc. en el ámbito de la fabricación avanzada.
  • La reingeniería de procesos de productos existentes con la finalidad de desarrollar procesos de fabricación alternativos que conlleven una mejora significativa de los mismos.

Y entre los principales objetivos de trabajar en niveles de MRL 6-7, se identifican:

  • La rápida transferencia de resultados en el campo de la fabricación a un entorno operacional.
  • Atraer, involucrar y poner en contacto socios y recursos para investigar en el marco de un entorno representativo: máquinas, herramientas, utillajes, …
  • Desarrollar proyectos colaborativos para alcanzar resultados de alto valor.

En esta línea quizá el primer centro de este tipo para la investigación colaborativa surgió en 2001 en Reino Unido en colaboración entre la Universidad de Sheffield y el fabricante americano de aeronaves Boeing. El Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC) ha recibido desde entonces numerosos premios, además de servir como un modelo referente para otros centros de investigación en todo el mundo. El AMRC forma parte del Grupo AMRC, un clúster de centros enfocados a la investigación para la industria y desarrollo de tecnologías para su uso en sectores de alto valor añadido. Solo el AMRC da empleo a más de 250 personas.

El AMRC de la Universidad de Sheffield se centra en el mecanizado avanzado y la investigación de materiales para el sector aeroespacial y otros sectores de fabricación de alto valor. Identifica, investiga y resuelve problemas avanzados de fabricación en nombre de sus socios industriales. Alrededor de 70 empresas se han unido como miembros, desde gigantes aeroespaciales como Boeing o Rolls-Royce, hasta pequeñas empresas locales. El centro también trabaja con cientos de otros fabricantes en proyectos de investigación específicos.

Otra iniciativa de este tipo surgió en 2009 en Dinamarca, como consecuencia precisamente de una visita al centro AMRC de Sheffield y el deseo de la compañía Boeing para contribuir al establecimiento de un centro danés con características similares. La misión del Danish Advanced Manufacturing Research Center (DAMRC) es ser un centro de investigación y desarrollo de tecnologías avanzadas de fabricación que desarrolla y transforma los conocimientos más recientes en soluciones prácticas en colaboración con las universidades y en beneficio de la competitividad global de las empresas industriales danesas.

Actualmente el DAMRC cuenta con 67 miembros y colabora con una amplia variedad de organizaciones e instituciones como empresas privadas, organizaciones públicas, universidades, instituciones de investigación, etc., nacionales e internacionales, muchas de ellas con nombre e historia reconocidos en el campo de la fabricación mecánica.

Ejemplo local: el CFAA

Nuestra región ha poseído históricamente una gran tradición manufacturera, con especial importancia del sector del metal. De nuestros pueblos han surgido numerosos fabricantes de máquina-herramienta y empresas de la industria auxiliar suministradores de primer nivel para otras empresas de mayor tamaño. Era muy fuerte el sentimiento que había de un centro de fabricación avanzada, con características similares a las iniciativas europeas vistas anteriormente.

Debido a esta necesidad palpable, en 2014 surgió la semilla para la creación de un centro de esta tipología en el País Vasco. De esta forma, el CFAA nace como centro mixto adscrito a la UPV/EHU. La creación, desarrollo y sostenimiento del mismo surge del convenio firmado en noviembre de 2014 por la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), la agrupación de empresarial para el desarrollo de las técnicas de fabricación aeronáutica avanzada (AIE), el Gobierno Vasco y la Sociedad para la Transformación Competitiva (SPRI), la Diputación Foral de Bizkaia (DFB) y la Sociedad Parque Tecnológico (PCTB).

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Figura 3. En el CFAA se desarrollan numerosas tecnologías de fabricación avanzada.

La fabricación avanzada constituye una de las prioridades de especialización en la Estrategia de Especialización Inteligente RIS3 de Euskadi. El Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica tiene como objetivo colaborar en la investigación y desarrollo de tecnologías avanzadas de fabricación en niveles de desarrollo que sean de rápida transferencia a nuestro tejido industrial, así como en la posterior transferencia de resultados de dicha I+D de los propios agentes industriales a través de la realización de proyectos concretos usando las instalaciones del CFAA. Para ello el centro permitirá realizar pruebas de validación en ‘entornos representativos’. Es decir, las compañías asociadas utilizarán máquinas de tamaño, complejidad y tecnología similar a las de producción. Hasta ahora los ensayos se realizaban en las instalaciones de las empresas, con las consiguientes interferencias en las labores de fabricación y los riesgos inherentes a las pruebas de tecnologías innovadoras. Se necesitaba un centro externo que reprodujese el ambiente industrial. Esto le permite desarrollar, prototipar, probar y ampliar un producto, lo que se puede demostrar en papel, en el laboratorio y en la planta antes de ser fabricados a escala industrial.

Asimismo, un centro de estas características, permite formar adecuadamente a personal especializado en tecnologías avanzadas de fabricación potenciando una formación de posgrado orientada a cubrir las necesidades de especialización en el ámbito de las tecnologías avanzadas de fabricación en estrecha colaboración con las empresas y sectores vinculados al centro, así como la realización de tesis doctorales en colaboración que favorezca los contactos con otros centros de características similares a nivel mundial, fomentando la internacionalización del CFAA.

Iniciativas europeas

La apuesta por parte de la comunidad europea por la promoción, investigación y desarrollo es indudable. En este sentido existen iniciativas como el programa Horizon 2020, el cual es el programa de financiación de la investigación e innovación más ambicioso de la Unión Europea. Este programa busca ejecutar proyectos de investigación y tiene objetivos claros, como por ejemplo crear una ciencia de excelencia para reforzar la posición de la UE en el panorama científico mundial, así como desarrollar tecnologías y sus aplicaciones para mejorar la competitividad europea.

Dentro del programa Horizon 2020, se enmarcan otros programas de menor tamaño, pero específicos y orientados a tareas concretas. Ejemplos de esto son Clean Sky I y II. Clean Sky es una iniciativa conjunta público-privada de la Comunidad Europea que pretende desarrollar conceptos innovadores para disminuir significativamente el impacto del modo de transporte aéreo sobre el medio ambiente y, al mismo tiempo, garantizar la competitividad de la industria europea a nivel mundial. Enmarcado dentro del programa de proyectos aeronáuticos Clean Sky, se encuentra el proyecto Himmoval, en el que ha participado la UPV/EHU junto al centro tecnológico Tecnalia, que ha buscado desarrollar un nuevo concepto para altas tasas de eliminación de material bajo condiciones óptimas de integridad superficial. En esta línea, parte del trabajo ha consistido en estudiar el comportamiento de las superaleaciones Inconel 718 y Waspaloy en torneado utilizando diferentes estrategias de refrigeración de la zona de corte.

Como esta, existen infinidad de iniciativas englobadas en la burbuja de la fabricación avanzada, tanto en niveles bajos de la escala MRL como el recién comentado, como otros ubicados en niveles superiores de la escala, involucrando tareas que implican la fabricación o aplicación de las mejoras de los procesos en un Demostrador Tecnológico Integrado.

Case study: cepillado de acabado con nylon abrasivo

Como muestra de un caso concreto y tangible de colaboración exitosa del binomio Universidad-Empresa, se presenta el protagonizado por la empresa de Eibar JAZ-Zubiaurre, que junto con el Grupo de Fabricación de Alto Rendimiento de la UPV/EHU han desarrollado y optimizado una nueva familia de cepillos abrasivos con fibras de nylon para su uso en las etapas finales de fabricación de componentes para diferentes industrias, pero con amplias posibilidades en automoción y aeronáutica.

La colaboración llevada a cabo entre las dos instituciones, ha propiciado que la empresa JAZ-Zubiaurre se integre como nuevo miembro del Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica, lo cual abre un amplio abanico de posibilidades a desarrollar en las instalaciones del CFAA. Una vez se ha validado tanto el proceso como la nueva familia de cepillos de superacabado, mediante ensayos en probeta representativa, con características geométricas y funcionales como por ejemplo aristas y superficies similares a las de una pieza real, pero en niveles bajos de MRL, es decir, lejos todavía de la aplicación finalista, el último paso para certificar su aptitud sería la prueba en pieza demostrador real, utilizando equipamiento y conceptos plenamente transferibles a un entorno real. Para llevar a cabo esta tarea, el CFAA dispone de una célula automatizada de rebabado, que se antoja la solución perfecta para ejecutar esta tarea.

Esta célula de acabado y superacabado dispone de un brazo robótico antropomórfico el cual puede tener dos modos de trabajo; uno en el que la herramienta rotativa se acopla a la garra del robot y la pieza está estática, generalmente para procesar piezas de cierto tamaño y peso; y el modo alternativo, de forma que la pieza, de menor volumen, es manejada por el robot.

Esta célula automatizada permitirá potenciar la calidad y velocidad de ejecución de los ensayos, permitiendo la adición de mayor número de variables, siendo de especial importancia la naturaleza y características físicas del abrasivo embebido en las fibras de nylon, aunque hay otras no menos importantes como diámetro de las fibras de nylon, rigidez, parámetros de mecanizado empleados, etc.

Sin duda, planteamientos como el presente son los que permiten avanzar en la generación del conocimiento que es directamente transferible al entorno empresarial, con el soporte de investigaciones previas de calidad realizadas en entornos representativos de la realidad empresarial.

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Figura 4. Aristas antes y después del rebabado en probeta representativa (Fuente: UPV/EHU).

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