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Claudius Peters

Un fabricante de maquinaria pesada baja a la Tierra el diseño generativo

The Future of Making

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Fotografías gentileza de LimbForge

Nuevas tecnología de desarrollo de productos preparan a una empresa de 100 años para el futuro de la fabricación

Claudius Peters, una empresa que lleva 113 años fabricando maquinaria de procesamiento de materiales a granel, se está transformando para convertirse en una firma digital preparada para el siglo XXI. El diseño generativo cambia las reglas del juego para la empresa, pues ofrece un enfoque nuevo y radical del diseño y la optimización. Al adaptar esta tecnología, que suele asociarse con la impresión en 3D, a los métodos de fabricación tradicionales, la empresa puede sacar a un mercado industrial en el que los precios son fundamentales productos más rentables. El diseño generativo en la industria pesada ayuda a reducir los costes de material y energía y los tiempos de entrega, lo que permite a Claudius Peters ser más competitiva en una época de cambios.

Una empresa de la vieja escuela abraza el cambio

El fabricante alemán Claudius Peters es el ejemplo perfecto de "industria pesada": produce maquinaria industrial de gran tamaño y plantas de procesamiento para los sectores del cemento, el acero, el yeso y el aluminio. "Somos los especialistas en el procesamiento de materiales a granel", afirma Thomas Nagel, director de operaciones de Claudius Peters (CP). Además de su sede, situada cerca de Hamburgo (Alemania), la empresa tiene 12 oficinas regionales en América, Europa y Asia.

Fundada en 1906, CP lleva más de 100 años fabricando productos industriales de gran tamaño intensivos en capital (cintas transportadoras, silos, molinos). Sin embargo, en lugar de aferrarse a esta venerable historia, Nagel, que también es director de digitalización, está ayudando a la empresa a granjearse una buena reputación como líder mundial en innovación digital. Claudius Peters inició su viaje de la innovación en 2014 con el objetivo de mejorar los resultados empresariales en relación con los costes, la calidad, la velocidad de entrega y la satisfacción del cliente. Sin embargo, la empresa se dio cuenta de que, para seguir siendo competitiva en el siglo XXI, iba a necesitar algo más que software nuevo. En 2018, CP comenzó a transformarse en una empresa ágil, lo que requería nuevas capacidades digitales y una cultura centrada en el pensamiento de diseño, la experimentación y la iteración.

Thomas Nagel, director de operaciones y digitalización de Claudius Peters, en la sede de la empresa en Buxtehude (Alemania), cerca de Hamburgo.

Comienza el viaje de la innovación

Trabajar con socios tecnológicos como Autodesk ha sido clave para el viaje de la innovación de Claudius Peters. CP ha adoptado nuevas herramientas, como BIM 360 (inglés), para conectar los procesos de ventas, ingeniería, diseño, fabricación y montaje. La empresa también ha encontrado nuevas formas de optimizar los procesos de fabricación con Inventor y el análisis del método de los elementos finitos (MEF). Para instalar su maquinaria, CP empezó a usar los escáneres 3D de captura de la realidad ReCap y Navisworks para capturar datos en las instalaciones de los clientes y enviar rápidamente los archivos a los equipos de diseño e ingeniería de Alemania. "Esto nos permite hacer nuestro trabajo más rápidamente, con más calidad y con menos costes, lo que aumenta la satisfacción del cliente", comenta Nagel.

"Sin embargo, nuestra innovación no se ha limitado a eso", añade. Inspirado por una demostración de diseño generativo en Fusion 360, Nagel organizó un taller de cuatro horas de duración para mostrar al equipo de CP esta tecnología emergente.

El software de diseño generativo (inglés) de Autodesk usa los objetivos y las limitaciones del diseño y explora las posibles permutaciones de una solución de diseño para generar rápidamente multitud de opciones. Después de experimentar con unas cuantas piezas genéricas, el equipo decidió intentar utilizar el diseño generativo para optimizar una pieza de uno de los principales productos de CP para el sector del cemento: un enfriador de clínker.

Nagel (derecha) revisa el diseño de la pieza del enfriador de clínker con el equipo de Claudius Peters.

¿Qué es un enfriador de clínker?

El sector del cemento es uno de los pilares de Claudius Peters desde sus primeros días. Los fabricantes de cemento mezclan piedras trituradas y las calientan en un horno hasta 1450 °C (2640 °F), lo que provoca su fusión en fragmentos del tamaño de canicas llamados "clínker". El clínker al rojo vivo se descarga en un enfriador de clínker, una enorme máquina de 50 por 25 metros (164 por 82 pies). El aire, al moverse por el enfriador, baja la temperatura del clínker hasta 100 °C (212 °F) aproximadamente. A continuación, este clínker se muele y mezcla con otros ingredientes para formar el cemento.

CP comenzó a proporcionar enfriadores de clínker al mercado a principios de la década de los 50, y produjo más de 700 enfriadores durante los 60 años siguientes. Sin embargo, la producción de clínker consume mucha energía, por lo que el sector del cemento es uno de los que más CO2 emite.

A principios de la década del 2000, CP comenzó a desarrollar un enfriador de clínker de nueva generación diseñado para ahorrar energía: el enfriador ETA, llamado así por la letra griega "η" ("eta"), que es el símbolo de la eficiencia energética. "Una de las mayores ventajas de nuestro enfriador ETA es su enorme eficiencia térmica", apunta Nagel. "Este ahorro de energía puede ayudar a reducir el impacto ambiental negativo de la producción de cemento". Hoy en día, CP está sustituyendo sus enfriadores de clínker por enfriadores ETA para aumentar la eficiencia de las cementeras.

El enfriador ETA de la cementera Holcim en Untervaz, en Suiza, es una enorme máquina que casi ocupa la mitad de un campo de fútbol. Gentileza de Claudius Peters.

El diseño generativo tiene resultados sorprendentes

CP decidió usar el diseño generativo para optimizar una pieza del enfriador ETA, una pieza metálica pesada recientemente rediseñada para eliminar el material sobrante mediante métodos de diseño tradicionales. Cada enfriador tiene entre 50 y 60 piezas de este tipo, que se montan juntas en una serie de carriles transportadores que hacen pasar el clínker fundido por el enfriador ETA. "Esta pieza fundida se ha optimizado una y otra vez", explica Maximilian Lerch, ingeniero de diseño de CP. "El objetivo era reducir el peso y, por tanto, el coste del metal. Hasta la menor optimización del peso habría tenido un gran efecto.

Fue genial ver a todos los ingenieros agrupados en torno a la pantalla del ordenador, observando cómo el diseño generativo creaba una pieza fuerte y optimizada prácticamente a partir de la nada, porque en principio solo teníamos las limitaciones", continúa Lerch. "Todas las iteraciones necesarias para llegar a la mejor solución las hace el software".

Después de esa primera sesión de cuatro horas con el diseño generativo, el equipo obtuvo su primer resultado: "La llamamos la pieza alien", comenta Nagel. "El resultado nos sorprendió: ¿cómo podía ser tan diferente de nuestra pieza optimizada? ¿Y entre un 30% y un 40% más ligera?".

Los primeros resultados del proceso de diseño generativo fueron "la pieza alien" (derecha), radicalmente diferente de la pieza de transporte original del enfriador ETA (izquierda) y de la pieza optimizada tradicionalmente (centro).

El diseño generativo tiene resultados sorprendentes

CP decidió usar el diseño generativo para optimizar una pieza del enfriador ETA, una pieza metálica pesada recientemente rediseñada para eliminar el material sobrante mediante métodos de diseño tradicionales. Cada enfriador tiene entre 50 y 60 piezas de este tipo, que se montan juntas en una serie de carriles transportadores que hacen pasar el clínker fundido por el enfriador ETA. "Esta pieza fundida se ha optimizado una y otra vez", explica Maximilian Lerch, ingeniero de diseño de CP. "El objetivo era reducir el peso y, por tanto, el coste del metal. Hasta la menor optimización del peso habría tenido un gran efecto.

Fue genial ver a todos los ingenieros agrupados en torno a la pantalla del ordenador, observando cómo el diseño generativo creaba una pieza fuerte y optimizada prácticamente a partir de la nada, porque en principio solo teníamos las limitaciones", continúa Lerch. "Todas las iteraciones necesarias para llegar a la mejor solución las hace el software".

Después de esa primera sesión de cuatro horas con el diseño generativo, el equipo obtuvo su primer resultado: "La llamamos la pieza alien", comenta Nagel. "El resultado nos sorprendió: ¿cómo podía ser tan diferente de nuestra pieza optimizada? ¿Y entre un 30% y un 40% más ligera?".

  • En el proceso de producción del cemento, el clínker al rojo vivo se transfiere del horno al enfriador ETA, que puede tratar hasta 13 000 toneladas métricas de clínker al día.

  • Los carriles transportadores mueven el clínker por el enfriador ETA, donde el aire baja la temperatura de las piedras fundidas hasta unos 100 °C (212 °F).

  • Cada enfriador ETA tiene unas 60 piezas de transporte colocadas en carriles transportadores para hacer pasar el clínker caliente por el enfriador.

  • La pieza de transporte original (izquierda) se rediseñó en 2016 y se ha instalado y probado en 14 enfriadores de clínker.

  • El diseño de la nueva pieza (derecha), basado en el diseño generativo, es más de un 50% más ligero que el original, lo que supone un importante ahorro de costes de material y energía.

  • Las renderizaciones muestran la evolución de la pieza del enfriador de clínker desde el pesado diseño geométrico original (fila superior, izquierda) pasando por las iteraciones realizadas con ingeniería inversa y diseño generativo.

Imágenes gentileza de Claudius Peters

Adaptación a la fabricación tradicional de una pieza realizada con diseño generativo

Los escépticos ingenieros de Claudius Peters realizaron cálculos y análisis del MEF en la "pieza alien" y se quedaron estupefactos al descubrir que era más eficaz que su versión de la pieza optimizada al estilo tradicional. El equipo empezó a analizar el diseño para averiguar cómo fabricarlo. "El diseño generativo normalmente usa impresión 3D u otros métodos de fabricación aditiva para hacer el producto", explica Nagel. "Nuestro sector no utiliza piezas realizadas con impresión 3D, es demasiado caro". Sin embargo, gracias a las ideas del diseño generativo y la optimización tradicional, "nos llevó solo una semana realizar la pieza con ingeniería inversa, así que podemos hacerlo utilizando métodos de fabricación tradicionales".

Aplicando Inventor y el análisis del MEF, el equipo probó diferentes soluciones de fabricación con la fundición de Claudius Peters. "Decidimos pasar de una pieza fundida a una solución con placas cortadas con láser y soldadura", comenta Nagel. "Hemos conseguido que la pieza sea otro 25% más ligera, más rápida de hacer y más rentable". El equipo continúa estudiando opciones de diseño para la pieza de transporte, buscando oportunidades adicionales de mejora e incluso más reducciones de costes. "Debe implementarse en producción muy pronto", continúa Nagel. "Espero que la pieza esté en funcionamiento en algún lugar del mundo antes de un año".

Un soldador fabrica el prototipo para la nueva pieza de transporte, realizada con ingeniería inversa mediante la aplicación de ideas del diseño generativo y el diseño tradicional y la aportación de la fundición.

Los frutos del diseño generativo

La pieza de CP realizada con diseño generativo puede, en última instancia, ahorrar a la empresa una importante cantidad de dinero en cada enfriador de clínker que instale. El peso de la pieza de transporte se ha reducido unos 20 kilogramos (44 libras), por lo que la empresa prevé unos ahorros aproximados de 100 € (113 USD) por pieza (y hay como mínimo 60 piezas en cada enfriador). Además, menos peso significa menos gastos de envío. "Desde el primer prototipo que desarrollamos, estábamos seguros de que el diseño generativo nos ayudaría a reducir los costes de nuestros productos y ser más competitivos", asegura Nagel.

El diseño generativo también mejora la sostenibilidad. "Podemos pasar de pieza más pesadas fundidas en la India o Turquía a piezas más ligeras, con un diseño soldado que hasta podemos fabricar aquí, en nuestro taller", explica Nagel. "Ahorramos material, energía, tiempo de transporte y otros efectos negativos en el entorno".

Claudius Peters se encuentra en el punto en el que el diseño generativo se está convirtiendo en un proceso estándar para optimizar piezas existentes o diseñar otras nuevas. "Descubriremos más piezas a las que aplicar optimizaciones y reducciones de material en el futuro", asegura Nagel. "Pieza a pieza, intentaremos ver si el diseño generativo tiene las mismas ventajas en todas".

Maximilian Lerch, ingeniero de diseño, trabaja en una versión realizada con ingeniería inversa de la pieza realizada con diseño generativo que se puede fabricar con métodos de fabricación tradicionales.

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