Aunque puede que no sea obvio, Existe un vínculo estrecho entre la tecnología de fabricación y la innovación. Elon Musk a menudo habla de las "máquinas que construyen las máquinas" como el verdadero facilitador tanto en su negocio espacial como en el automotriz.

Usando menos costoso, Los procesos más escalables permiten a Space X lanzar misiones con presupuestos y con una velocidad que sería impensable utilizando los métodos de fabricación de la vieja escuela de la NASA. Y el diseño poco ortodoxo del nuevo Tesla Cybertruck parece aprovechar un proceso de fabricación simplificado que elimina el "estampado con troquel" de metal en favor de doblar y doblar láminas de metal.

Ahora, un nuevo método de fabricación denominado "herrería robótica" tiene el potencial de revolucionar la forma en que se fabrican las piezas estructurales de alta calidad. dando como resultado una nueva clase de productos personalizados y optimizados. Soy parte de una coalición flexible de ingenieros que desarrollan este proceso, una técnica que creo que puede ayudar a reactivar la fabricación en EE. UU.

Tecnologías de hoy

Las piezas metálicas se utilizan en todo tipo de aplicaciones de alto rendimiento y críticas para la seguridad en el transporte, minería, equipos de construcción y generación de energía como motores de turbina. La mayoría se fabrica utilizando uno de los pocos procesos de fabricación clásicos que no han cambiado mucho en décadas.

El mecanizado corta la materia prima para obtener la forma deseada; la fundición implica verter metal fundido en un molde; y la formación o forja deforma y aprieta el metal en nuevas formas. La fundición y el forjado para dar forma generalmente necesitan moldes o matrices personalizados que pueden llevar un tiempo y un gasto considerables para diseñar y fabricar. pero una vez en funcionamiento son muy productivos; las piezas son económicas con propiedades altamente reproducibles. Por eso, las tuercas y los tornillos pueden ser económicos y fiables.

Comenzando poco después de la Segunda Guerra Mundial, la fabricación digital marcó el comienzo de una producción más ágil, primero con mecanizado de control numérico por computadora que corta componentes de todo tipo de formas a partir de bloques de metal. Producir un componente diferente fue tan simple como lanzar un nuevo programa de computadora. Una desventaja común del mecanizado de control numérico por computadora es una baja relación de "vuelo a compra", donde un 1, Se podría tallar un bloque de titanio de 000 libras para producir un componente aeroespacial de 100 libras. Esto es caro y perjudicial para el medio ambiente. pero no se necesitan nuevas inversiones y los plazos de entrega son cortos.

Ahora, También existe un merecido entusiasmo por la fabricación de tales piezas mediante impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva. Este proceso también crea partes a partir de un archivo de computadora bajo demanda construyendo una parte capa a capa. Se pueden imprimir formas imposibles de realizar mediante mecanizado, permitiendo nuevas formas que, por ejemplo, Tienen pasajes internos para enfriamiento o comunicación.

Si bien estas técnicas tienen sus ventajas, también tienen inconvenientes. A menudo, no producen los niveles más altos de resistencia o tenacidad y estos procesos son un desperdicio.

Robots más herrería

Los implementos de metal hechos por herreros a menudo tienen una fuerza legendaria porque el trabajo del metal, como amasar una masa, hace su estructura más fina, más homogéneo. A medida que se da forma al material, desarrolla fuerza direccional, al igual que la madera es más fuerte en la dirección de su veta. Sin embargo, ningún herrero humano puede trabajar con piezas del tamaño de un tren de aterrizaje de un avión o tener la reproducibilidad y la resistencia para fabricar las piezas necesarias para nuestra economía.

La idea de la herrería robótica es ampliar el arte del herrero con nuevas capacidades digitales. Las piezas se moldean formando repetida e incrementalmente una pieza de metal que se coloca con precisión en una prensa. Este sistema de prensa o martillo motorizado intercambiará herramientas según la forma necesaria.

Automatizando el proceso de dar forma a una pieza, pero usando el enfoque básico de un herrero, una máquina puede tratar piezas más grandes y ser más eficiente y reproducible de lo que jamás podría serlo un ser humano.

Este nuevo enfoque tiene el potencial de hacer de manera eficiente y consistente los 'huesos' estructurales dentro de la aeronave, buques, submarinos y locomotoras. O el concepto podría reducirse para hacer pequeños implantes médicos individualizados.

¿Dónde se afianzará la tecnología?

El concepto básico para la herrería robótica, formalmente llamado fabricación metamórfica, se demostró en 2017 cuando un equipo de estudiantes de la Universidad Estatal de Ohio agregó hardware y software a una fresadora convencional de control numérico por computadora para adaptarla a la deformación controlada. El trabajo fue en respuesta a un US $ 25, 000 del consorcio financiado por el gobierno LIFT (Lightweight Innovations for Tomorrow) para demostrar los conceptos clave de la conformación basada en deformaciones controladas digitalmente.

Pero eso fue solo el comienzo. Hoy dia, Queda mucha investigación y desarrollo antes de que tengamos máquinas autónomas que den forma al metal en elementos únicos críticos para la seguridad.

El desarrollo completo del robot herrero requiere una síntesis de tecnologías. El sistema debe poder conocer la forma, temperatura y condición del material en cada ubicación de la pieza que se está formando. Entonces debe poder controlar la temperatura para producir la estructura y las propiedades adecuadas. La prensa debe apretar el componente donde sea necesario con control robótico, deformando la pieza poco a poco. Y, una computadora debe tomar decisiones sobre cómo mover y golpear la pieza siguiente para optimizar la forma y las propiedades, a menudo aprendiendo de cómo se hicieron las piezas anteriores.

Todas estas tecnologías básicas están progresando rápidamente, y no hay ninguna razón por la que no puedan fusionarse rápidamente como una tecnología de fabricación útil y práctica, como ha demostrado un reciente estudio de hoja de ruta.

La historia muestra que cuando diversos grupos se unen para formar una nueva industria, el lugar de nacimiento de esa innovación (convertir la idea en negocios) cosecha los beneficios a largo plazo. Detroit con automóviles y Silicon Valley con computadoras son ejemplos obvios, pero también hay fabricación de vidrio en Toledo, ingeniería de polímeros en Akron e ingeniería de dispositivos médicos en Minneapolis. Los ejemplos más recientes de clústeres técnicos prósperos a menudo se encuentran fuera de EE. UU., con fabricación de productos electrónicos personales centrada en Shenzhen, Porcelana, y dispositivos semiconductores avanzados en Singapur. Los primeros grupos fueron fortuitos. Los últimos suelen ser el resultado de decisiones políticas deliberadas e inteligentes.

Ya hay muchos ejemplos de gran tecnología que nace en Estados Unidos, luego fabricado en otro lugar. Por ejemplo, Muchas de las tecnologías centrales de los teléfonos inteligentes se desarrollaron en laboratorios de EE. UU., pero la producción ahora se extiende por todo el mundo. La próxima ola de innovación probablemente se ubicará donde las habilidades sean profundas debido a la dotación de personal y la mejora de las fábricas actuales. La herrería robótica brinda una oportunidad para que Estados Unidos sea el líder si así lo desea. El núcleo para mantener este ciclo virtuoso en cualquier lugar es el desarrollo de las fábricas, o las máquinas que construyen las máquinas.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.