Los clientes de las cafeterías probablemente no piensen mucho en la máquina de espresso que usa el barista para hacer su café con leche matutino, pero es probable que sea una maravilla de alta ingeniería que combina el diseño retro con la vanguardia digital. Bien puede ser una máquina LaCimbali o Faema de Gruppo Cimbali, un fabricante italiano que a finales de 2020 empezó a utilizar la simulación de gemelos digitales en su proceso de ingeniería.
“Traducimos nuestras máquinas y toda la física detrás de una taza de café en parámetros”, dijo Maurizio Tursini, director de tecnología y productos de la compañía. “Entonces, jugando con todos estos parámetros, podemos simular el rendimiento de nuestras máquinas”.
Gruppo Cimbali utiliza el software de simulación Activate de Altair, un proveedor de software con sede en Troy, Michigan, para desarrollar los gemelos digitales. El primero fue una representación virtual de una máquina de café de referencia que ha servido de base para gemelos digitales de modelos específicos, tanto existentes como en desarrollo. El software se ejecuta en las instalaciones bajo la dirección de dos empleados de Gruppo Cimbali.
Desde calderas de carbón hasta análisis de IoT
Giuseppe Cimbali fundó su empresa homónima en Milán en 1912 para fabricar una variedad de artículos de cobre, agregando máquinas de café de leña y carbón con calderas de cobre verticales en la década de 1930. Una serie de innovaciones que comenzaron en las décadas de 1940 y 1950 llevaron a las máquinas de hoy en día altamente automatizadas y controladas digitalmente, que requieren poca capacitación y experiencia necesarias para operar las primeras unidades.
En primer lugar, la introducción de dos calderas independientes montadas en la parte delantera, cada una con varios dispensadores, mejoró la ergonomía y las tasas de producción porque el operador ya no tenía que moverse por la máquina de café espresso. Electricidad ampliamente disponible, la invención de la palanca dispensadora de crema y el sistema hidráulico patentado de Gruppo Cimbali trajeron nuevos niveles de automatización. Los primeros componentes electrónicos llegaron en los años 80 y los microprocesadores llegaron en la década siguiente.
Antes de agregar gemelos digitales, Gruppo Cimbali había utilizado durante mucho tiempo el diseño asistido por computadora y el software de gestión del ciclo de vida del producto. También hay conectividad de máquina a máquina entre lo que Tursini llamó máquinas “tradicionales” y sus molinillos de café adjuntos.
“Según lo que el molinillo está ‘entendiendo’, le está diciendo a la máquina, ‘Cambia este parámetro, cambia la presión, cambia la temperatura’ o viceversa, según algunos otros parámetros en la extracción del café”, dijo.
La compañía afirma ser una de las primeras en su industria en agregar sistemas de representación de datos y telemetría a sus máquinas, que están conectadas a Internet a través de Wi-Fi. La red de IoT recopila información sobre cada bebida elaborada en una máquina y la agrega a una base de datos. Los análisis de la calidad de las bebidas ayudan a los usuarios a mejorar la gestión diaria de las máquinas.
La simulación de gemelos digitales prácticamente elimina las pruebas físicas
Como modelos de objetos o procesos físicos, los gemelos digitales no tienen que involucrar simulación para ser útiles, pero la simulación de gemelos digitales era lo que necesitaba Gruppo Cimbali.
“Ya estaban usando telemetría o IoT y recolectando datos, pero les faltaba la parte de simulación para convertirla en una solución más o menos completa”, dijo Christian Kehrer, gerente de desarrollo comercial de Altair para el modelado de sistemas. El fabricante había simulado previamente piezas mecánicas, pero no otras características importantes de una máquina de café expreso, como la transferencia de calor y la presión del agua.
“El foco principal [of the digital twin simulation] estaba en evaluar el comportamiento funcional del sistema multifísico, incluyendo la termodinámica, la eléctrica y los controles “, dijo Kehrer.
Esas físicas son sorprendentemente complejas. Una taza de café perfecta requiere lograr el equilibrio adecuado entre la presión y la temperatura del agua, lo que depende de diseñar con precisión las partes mecánicas para ayudar a controlar el intercambio térmico entre ellas. El desafío es hacerlo hasta 600 veces al día, la capacidad del LaCimbali S60 completamente automático, según Tursini. “La calidad debe ser siempre la misma desde la copa número uno hasta la copa número 600”, dijo.
Para construir la simulación de gemelo digital, los ingenieros de Gruppo Cimbali trabajaron en estrecha colaboración con los ingenieros de desarrollo de productos de Altair y aprovecharon las fortalezas de los demás. Altair tiene la experiencia en ingeniería, pero carece del conocimiento de dominio sobre las máquinas de café que deben codificarse en los gemelos digitales, dijo Kehrer. Pero sus desarrolladores podrían explicar las fórmulas detrás de las simulaciones, luego pedirles a sus contrapartes en Gruppo Cimbali que señalen lo que faltaba y ajustar los modelos a las necesidades de la empresa.
El fabricante estaba muy interesado en utilizar la simulación de gemelo digital para recopilar datos sobre la eficiencia energética, la cantidad de ciclos que puede operar una máquina y las temperaturas que puede alcanzar.
“Eso”, dijo Kehrer, “es algo realmente nuevo: poder evaluar más KPI relevantes para el cliente en las primeras etapas y ver si cambio el componente A al componente B, ¿cuál es el efecto desde el punto de vista del cliente?” ¿Pasará más tiempo hasta que la máquina se caliente? ” Esos parámetros se traducen en cuánto tiempo le toma a un cliente obtener su taza de café, lo que afecta la experiencia general del cliente.
Tursini dijo que antes de los gemelos digitales, probar diferentes parámetros requería un enfoque de prueba y error. “Usando la especificación del modelo, definimos los parámetros, hicimos un prototipo y comenzamos a optimizar. Pero con un modelo virtual, podemos simular muchas configuraciones para que al final del día, la configuración que decidamos usar es el óptimo “, dijo.
Como resultado, Gruppo Cimbali pudo reducir el tiempo de desarrollo de un nuevo modelo en su línea Faema entre un 30% y un 40%, dijo Tursini.
Demostrando la convergencia de lo virtual y lo físico
El cambio cultural ha sido el mayor desafío de implementar gemelos digitales, según Tursini, quien necesitaba convencer a los ingenieros acostumbrados a trabajar con prototipos físicos de que podían confiar en una simulación de gemelos digitales.
“Hicimos algunas pruebas para convencerlos de que este era el enfoque correcto”, dijo. “Hicimos pruebas físicas y virtuales en paralelo, y demostramos que los resultados estaban convergiendo. Demostramos que este era el enfoque correcto [and would also] acelerar nuestro tiempo de comercialización “.
Tursini dijo que a la compañía le gustaría implementar gemelos digitales en la nube para ponerlos a disposición de los clientes para fines de 2022. Los gemelos digitales más accesibles también ayudarán a los técnicos de servicio de campo a analizar la información recopilada en la máquina física con los datos almacenados en la nube. El análisis predictivo podría ayudar a anticipar las llamadas de servicio y las fallas de la máquina. La compañía también planea ofrecer eventualmente un producto como servicio, que aprovecharía la conectividad de IoT para permitir nuevos tipos de servicios.
En general, Tursini considera que los gemelos digitales son un éxito. “Se reduce el tiempo de comercialización, se mejora la calidad, se tiene un mejor control sobre lo que está sucediendo”, dijo. “Esto es algo que también ayuda a los ingenieros a hacer mejor su trabajo. Hay que ver esto como un apoyo al trabajo de los ingenieros más que como un sustituto”.
