hidráulica del futuro

A pesar de los esfuerzos concertados para mejorar su imagen en las últimas décadas, muchos usuarios todavía consideran que los sistemas hidráulicos son dinosaurios. Por lo tanto, no es la primera opción para los jóvenes reclutas. Los graduados tienden a sentirse atraídos por los entornos de puesta en marcha por sus ideas de negocios digitales y, en sentido figurado, por el objeto de deseo: el unicornio dorado.

A nivel internacional, el unicornio simboliza la innovación y la creatividad: ideas increíbles que pueden generar mucho dinero. Independientemente de cómo el mundo exterior vea la hidráulica, la importancia económica de la hidráulica en el mundo es incuestionable, con ventas que alcanzan decenas de miles de millones de dólares. Paradójicamente, la importancia económica de la tecnología de fluidos permanece en marcado contraste con la forma en que los usuarios, el público y la comunidad científica la perciben.

¿Cómo ha transformado la hidráulica su imagen en el nuevo mundo?La respuesta es simple;Los dinosaurios tuvieron que adaptarse incorporando nuevas tecnologías, especialmente controles electrónicos y transmisión de energía electromecánica. Al hacerlo, el sistema hidráulico se transformará en una nueva experiencia de alta tecnología para el usuario.

Específicamente, esto significa conservar las ventajas de la hidráulica y combinarlas con las oportunidades y ventajas en el «mundo de consumo de TI» tecnológico. El usuario entonces ve el sistema hidráulico «oculto» como un módulo funcional compacto y completo: simple, intuitivo, conectado y rápido de instalar. Independientemente de las perspectivas para el futuro, la hidráulica debe mantener su posición en relación con los accionamientos electromecánicos. Los cambios tecnológicos ya están muy avanzados en muchas áreas.

Aquí tenemos que defender nuestro territorio. A diferencia de la hidráulica, las conexiones más simples y las conexiones de TI más simples han sido durante mucho tiempo una parte integral del ADN de las soluciones electromecánicas. Pero, ¿cómo podemos asegurar la viabilidad futura de la hidráulica industrial durante la próxima década y qué debemos hacer para que sea más competitiva?¡Apunta al unicornio dorado!

entorno industrial

La hidráulica industrial no es inmune al cambiante entorno del mercado. Sin embargo, los temas de nueva tecnología de moda no son el único factor que influirá en la escena en los próximos años. Algunas tendencias conocidas seguirán siendo fundamentales para el crecimiento futuro.

eficiencia energética. El medio ambiente y la escasez de recursos siempre juegan un papel importante cuando se consideran las principales tendencias. Necesitan sistemas de accionamiento más eficientes desde el punto de vista energético. Por ejemplo, en Europa, las regulaciones relacionadas con la energía se aplican a nivel de componente (p. ej., estándares IE3 para motores). Además de eso, ya existen muchos estándares y especificaciones de máquinas, por ejemplo, etiquetas de eficiencia para máquinas producidas en masa.

La importancia de la eficiencia energética está superando a los países industrializados. En muchas partes del mundo, la energía sigue siendo demasiado barata y los nuevos enfoques innovadores solo surgirán bajo las presiones de la oferta y los precios. Debido a sus ventajas específicas (alta densidad de potencia, alta fuerza), los sistemas hidráulicos están destinados a máquinas potentes. Esto se aplica en particular a las estaciones de suministro de presión donde las soluciones de accionamiento que ahorran energía son particularmente beneficiosas.

apariencia. Los problemas persistentes de eficiencia energética han provocado un aumento constante en el uso de sistemas de accionamiento de velocidad controlada. Los servomotores de alta eficiencia reemplazan cada vez más a los motores asíncronos estándar. Ya existen soluciones técnicamente escalables en el mercado.

El accionamiento de bomba de velocidad variable Sytronix es una tendencia hidráulica que combina un accionamiento eléctrico de velocidad variable con un motor eléctrico de velocidad variable y una bomba hidráulica en una unidad de accionamiento integrada.

retos ambientales

Los sistemas hidráulicos industriales se utilizan en una variedad de condiciones ambientales. Los organismos reguladores hacen cumplir las normas regionales específicas para la producción, el reciclaje y la eliminación sostenibles de productos hidráulicos. Como medio de transmisión de presión y lubricante indispensable, los fluidos hidráulicos juegan un papel especial en términos de impacto ambiental y seguridad funcional de los sistemas. Aunque los aceites rápidamente biodegradables están disponibles desde hace más de 60 años, los aceites minerales siguen siendo los más utilizados. Sin embargo, la mejora continua no se trata solo de fluidos hidráulicos: también se deben desarrollar más los sellos para que sean compatibles con fluidos hidráulicos, nuevos materiales y geometrías. Reducir la cantidad de aceite es otra forma de reducir los riesgos ambientales.

apariencia. La reducción de la cantidad de aceite utilizado y la mejora de la compatibilidad con el medio ambiente siguen siendo problemas pendientes. Se espera que las regulaciones ambientales sean más estrictas en el futuro. Como resultado, los fabricantes de aceite, sellos y sistemas hidráulicos pueden formar alianzas para mejorar aún más la compatibilidad ambiental.

Requisitos relacionados con la seguridad. en Europa, Directiva de maquinaria Se requiere que las máquinas se diseñen y construyan de manera que se eviten riesgos potenciales para los humanos. Se han establecido una serie de normas europeas para la seguridad de los sistemas hidráulicos, complementadas por normas relacionadas como Directiva de Equipos a Presión .

apariencia. En el futuro, los problemas de seguridad también serán una prioridad. También se espera que otras regiones, especialmente los países emergentes, implementen regulaciones más estrictas (por ejemplo, controles de aprobación, pautas de diseño).

Adquisición de información digital

Los usuarios industriales esperan cada vez más el nivel de conveniencia que obtienen del mundo del consumidor: configuradores, usabilidad, dispositivos móviles, aplicaciones, soluciones en la nube y más. A pedido, el producto en sí tendrá una interfaz digital simple (por ejemplo, IO-Link) para una conexión multi-Ethernet con capacidad en tiempo real.

A partir de 2023, el nuevo estándar de comunicación 5G conducirá a un mayor uso de redes industriales privadas en entornos industriales. Con estas redes perimetrales basadas en la nube, se pueden lograr tiempos de ciclo sensor-actuador de menos de 1 milisegundo. Por lo tanto, se pueden cumplir los requisitos típicos del controlador en las máquinas de procesamiento de plásticos. Los sensores y las comunicaciones 5G integrados en los productos proporcionarán información para el monitoreo de condiciones e incluso el uso de datos para el mantenimiento preventivo. Como tal, espere una plétora de modelos comerciales basados ​​en datos.

apariencia. Los componentes electrohidráulicos se beneficiarán de la influencia tecnológica del mundo de la automatización y las TI. Al igual que la automatización eléctrica, los proveedores de componentes hidráulicos se están preparando para colaborar con otros proveedores relevantes para desarrollar soluciones de IA y basadas en la nube. Se requerirán más asociaciones entre tecnologías, especialmente para temas de TI de vanguardia.

Un solo fabricante ya no tendrá todas las habilidades necesarias. La forma actual de pensar acerca de las asociaciones también cambiará. En algunos casos, los socios futuros serán socios anteriores, y algunos socios anteriores pueden convertirse en competidores y surgirán nuevos socios. La ingeniería mecánica tradicional y la construcción de plantas solo pueden beneficiarse de ciclos de innovación más cortos en el mundo de TI si se llevan a cabo los cambios estructurales necesarios en digitalización, conectividad y comunicación y los empleados tienen las calificaciones necesarias.

formación y experiencia. Ha sido evidente durante algún tiempo que la cantidad de empleados potenciales con conocimientos hidráulicos especializados está disminuyendo. Esto se aplica a los sectores comercial y de ingeniería. En cuanto a la base profesional y la formación continua, por ejemplo en Alemania, no existen cualificaciones reconocidas. Actualmente, los especialistas en hidráulica se contratan principalmente en profesiones afines, como ensambladores de maquinaria agrícola o de construcción, mecánicos industriales o técnicos en mecatrónica.

De hecho, ninguna formación específica puede calificarlo como especialista en mecatrónica de fluidos. Las universidades no ofrecen cursos especializados en hidráulica, y la hidráulica no es un módulo básico en los cursos de ingeniería. La situación en la universidad no es satisfactoria. Cuando la hidráulica se ofrece como un curso, el curso se limita casi por completo a la hidráulica estándar en lugar de a la electrohidráulica. Hemos visto una situación similar en el extranjero.

Alcanzar el Unicornio de Oro requiere una enseñanza moderna y actualizada, transferencia de tecnología y la creación de nuevas calificaciones de ‘Especialista en Mecatrónica de Fluidos’ tanto en el campo académico como comercial. Esta es una de las principales tareas compartidas a las que se enfrentan los responsables de la formulación de políticas educativas, la industria y las asociaciones de tecnología de fluidos nacionales e internacionales.

En el futuro, se necesitarán dos perfiles profesionales diferentes en el campo de la hidráulica. Uno es un especialista orientado a componentes con habilidades de ingeniería mecánica responsable de desarrollar y optimizar productos. El otro será un especialista en mecatrónica de fluidos orientado a sistemas con conocimientos de tecnología de control y competencia en la caja de herramientas hidráulica y de accionamiento electromecánico.

apariencia. A pesar de los esfuerzos, es poco probable que el estado actual de la educación cambie mucho en el futuro cercano. Obtener un conocimiento profundo a través de una mejor educación será esencial en los próximos años. Esto se debe a que las soluciones de sistemas electrohidráulicos no tendrán éxito sin conocimientos de tecnología de control, digitalización, software o cinemática, sin importar cuán buena sea la tecnología.

Los fabricantes de máquinas han subcontratado el trabajo de ingeniería a los proveedores y adquieren cada vez más subsistemas completos como «módulos funcionales». Los grandes usuarios finales contratan cada vez más empresas especializadas para los trabajos de mantenimiento. Por lo tanto, el mantenimiento de los sistemas hidráulicos debe ser lo más fácil posible para el usuario, y la hidráulica debe continuar ofreciendo a los jóvenes una carrera atractiva orientada al futuro.

viabilidad futura

Ciertamente, no existe una técnica preferida estándar para todas las aplicaciones. Ya sea hidráulico o electromecánico, cada tipo de accionamiento tiene sus propias ventajas y desventajas, que solo pueden evaluarse en función de su idoneidad para una aplicación específica. Con el fin de hacer una declaración fiable de la viabilidad futura (durante un período de observación de 10 años), se llevó a cabo una encuesta para determinar si las aplicaciones más importantes en las 10 áreas principales de la hidráulica industrial podrían ser reemplazadas.

Una descripción general de las industrias y aplicaciones importantes de la hidráulica industrial.

Las principales aplicaciones anteriores consideran los siguientes tipos de unidades:

  • Movimiento lineal: 80% de todas las aplicaciones
  • Hidráulica: Controlada por válvulas o bombas y cilindros accionados por eje compacto
  • Electromecánico: Ensamblaje de husillo de bolas o de rodillos
  • Movimiento de rotación: 20% de todas las aplicaciones
  • Sistema Hidráulico: Control de Bomba o Control Auxiliar
  • Electromecánicos: Motores de accionamiento directo o reductores.

Tipos de accionamientos en tecnología de accionamiento hidráulico y electromecánico.

La evaluación general de los tipos de accionamiento más adecuados para el futuro se basa en una encuesta de las siguientes cuatro categorías principales, con un total de 13 criterios para cada aplicación:

Funcionalidad: dinámica, robustez, límite de potencia estática, precisión, seguridad

Integración: espacio de instalación, flexibilidad, facilidad de uso

Rentabilidad: costo, eficiencia, vida útil

Ecología: protección del medio ambiente, mantenimiento.

apariencia. Con todo, está claro que la potencia de salida máxima de los sistemas electromecánicos para movimiento lineal es de unos 500 kN o más. Para sistemas de menos de 100 kN, los sistemas electromecánicos tienen un gran potencial para reemplazar los sistemas hidráulicos en muchas aplicaciones. Si bien se podrían lograr ligeras mejoras en la potencia y la velocidad mediante un mayor desarrollo de materiales, recubrimientos y geometrías, parece poco probable que se produzca un salto revolucionario. Los aumentos adicionales de potencia y par a través de la transmisión mecánica estarán limitados por la masa a acelerar.

Esta comparación de tecnologías de movimiento lineal muestra que la hidráulica continúa superando a los actuadores electromecánicos en velocidad y fuerza.

Los accionamientos hidráulicos ya transmiten 100 veces más fuerza que en el pasado. En cuanto a las limitaciones de rendimiento físico de los sistemas electromecánicos, a diferencia de los sistemas hidráulicos, no hay daños aparentes. Por lo tanto, se puede esperar una mayor evolución de estos dos campos. Es probable que los sistemas hidráulicos en cortadoras de metal y accionamientos de rotor se enfrenten a una mayor competencia. Sin embargo, también habrá oportunidades para ahorrar energía a través de sistemas de control de válvulas y productos y sistemas más fáciles de usar. En lo que respecta a las aplicaciones lineales, el sistema hidráulico mantendrá o incluso mejorará su posición a través de nuevos desarrollos innovadores en ejes compactos.

Una vez que tal desarrollo fue el eje electrohidráulico autónomo, que constaba de una unidad de bomba eléctrica, colector y cilindro. Estos ejes prácticamente no requieren mantenimiento y la puesta en marcha es la misma que para los accionamientos electromecánicos. Los detalles relacionados con la hidráulica ya están incluidos en la biblioteca de software. Como resultado, incluso los perfiles de carrera complejos, como los que se utilizan para formar, unir, moldear por inyección y otras aplicaciones de alta fuerza, se pueden parametrizar fácilmente. Como parte del proceso de especificación, los fabricantes de máquinas y los integradores de sistemas también pueden alcanzar niveles de seguridad de hasta SIL 3.

Este actuador servohidráulico autónomo es una unidad todo en uno que se puede poner en marcha utilizando la misma tecnología que los actuadores electromecánicos.

tendencia de desarrollo

Diferentes mercados, industrias y áreas de aplicación imponen demandas muy diferentes a los sistemas hidráulicos industriales. Las áreas de desarrollo que han surgido en las últimas décadas se concentran principalmente en las siguientes áreas:

  • Eficiencia energética (reducir la potencia de flujo, reducir la pérdida de presión, mejorar la eficiencia)
  • Reducción de ruido
  • Reducir el volumen del tanque de combustible
  • Mayores niveles de presión y menor espacio de instalación
  • Mejorar las propiedades del material y del aceite.
  • Mayor disponibilidad y mantenimiento predictivo
  • Facilidad de uso (electrónica integrada, software de puesta en marcha)
  • La seguridad

Si bien estos problemas seguirán desempeñando un papel en el futuro, ya no son suficientes por sí solos. Las tendencias industriales, como la impresión 3D de metales, ofrecen nuevas oportunidades tecnológicas para la hidráulica, como la optimización de diseños de núcleos (procedimientos de impresión en arena) para mejorar las características de flujo o la producción de servoválvulas.

Este colector de servoválvulas sirve como ejemplo de cómo la impresión 3D puede hacer que los componentes sean más compactos, livianos e incluso más eficientes.

Aplicaciones en entornos sensibles

Parte de la hidráulica industrial tiene condiciones ambientales especiales y, a menudo, se caracteriza como un proceso continuo. Incluye industrias como la marina y en alta mar, estructuras de acero de ingeniería hidráulica, metalurgia, maquinaria de fundición, minería, etc., donde los sistemas se instalan al aire libre o en entornos similares. Para los sistemas de producción que involucran procesos continuos, el enfoque está en OEE (Eficacia general del equipo), aumentando la productividad mediante la optimización de procesos, mejorando la calidad e implementando mantenimiento predictivo. Los sistemas de diagnóstico de alto rendimiento basados ​​en el aprendizaje automático, como la Red de diagnóstico en línea (ODiN) de Rexroth, ya predicen de manera confiable cuándo fallarán los componentes y actualmente se están desarrollando en sistemas hidráulicos.

Los sistemas de diagnóstico actuales basados ​​en el aprendizaje automático, como la Red de diagnóstico en línea (ODiN) de Rexroth, que pueden predecir de manera confiable cuándo fallarán los componentes, se están desarrollando en sistemas hidráulicos.

En muchos casos, se requiere el cumplimiento de las clases de protección ambiental (p. ej., protección contra explosiones), estaciones de suministro de presión redundantes y el uso de fluidos biodegradables. Dado el entorno descrito aquí, es posible que se implementen más regulaciones ambientales en el futuro. Una forma eficaz de evitar el riesgo de fuga de fluido es reducir la cantidad de aceite que se utiliza en el sistema. La base para el progreso es un diseño de tanque que permita la desgasificación pasiva natural. El uso de un módulo de desgasificación activo que incluye sensores para monitorear la proporción de aire liberado en el fluido puede reducir aún más los volúmenes de aceite. El volumen de aceite se puede reducir hasta en un 70 % en comparación con los diseños convencionales. Otros impactos positivos incluyen una reducción del 50% en el espacio de instalación y costos de petróleo significativamente más bajos.

apariencia. Además del mayor desarrollo de tecnologías y fluidos que ayuden a mejorar la compatibilidad ambiental, estas industrias también experimentarán procesos de transformación impulsados ​​por la digitalización, como la minería inteligente, la metalurgia 4.0 o los barcos autónomos.

Aplicación de producción

Otro segmento se ve afectado por los desarrollos y tendencias en la fábrica del futuro. Esto se refiere, por ejemplo, a prensas, máquinas de procesamiento de plásticos, sistemas de ensamblaje, máquinas herramienta, máquinas de prueba y máquinas similares instaladas en fábricas modernas. Antes de que podamos determinar los requisitos para un sistema hidráulico industrial, se debe describir la fábrica del futuro. El objetivo principal es aumentar la productividad y la eficiencia a través de la transparencia.

La fábrica del futuro será muy ágil. La alta flexibilidad y adaptabilidad son objetivos clave, y la transparencia ayudará a evitar tiempos de inactividad no planificados y costosos. Las paredes, los pisos y los techos permanecerán en su lugar; todo lo demás será removible. Las líneas de montaje tendrán un diseño modular y las máquinas se reorganizarán para crear nuevas líneas para nuevos usos. Se comunicarán de forma inalámbrica a través de 5G y serán alimentados por un sistema de carga inductivo en el suelo.

La alta flexibilidad y adaptabilidad son objetivos clave para la fábrica del futuro, y la transparencia ayuda a evitar el tiempo de inactividad no planificado. Las paredes, los pisos y los techos permanecerán en su lugar; todo lo demás será removible.

En la fábrica del futuro, todo estará conectado, desde el nivel de campo hasta los sistemas de TI basados ​​en la nube. Las soluciones de automatización y accionamiento solo se pueden adaptar a este entorno a través de una comunicación estándar abierta. Serán fáciles de configurar, las funciones y categorías se almacenan en los datos del dispositivo y se controlan o gestionan mediante firmware. La hidráulica industrial debe adaptarse a este mundo mediante la adopción de estándares abiertos como Multi-Ethernet e IO-Link que ya están en uso. Al escalar en tiempo real, todos los componentes, módulos y máquinas compartirán información.

apariencia. Estos datos deben implementarse en todas las futuras generaciones de productos, ya que se digitalizará el mapeo del flujo de valor de la fábrica del futuro. Los modelos de negocios digitales seguirán basándose en datos listos para ejecutar de todos los actuadores, módulos, sensores y máquinas que componen la infraestructura nueva y existente.

Válvula de presión con IO-Link/Bluetooth (izquierda) y válvula de alta respuesta con interfaz multi-Ethernet para control de posición, presión y fuerza y ​​control de lazo cerrado (derecha).

Uno de ellos es el CytroBox de Bosch Rexroth, nuestra última generación de unidades de potencia hidráulica. CytroBox es una unidad descentralizada que es móvil y flexible. Con su concepto plug-and-play y su inteligencia descentralizada, ofrece a los fabricantes de máquinas un controlador de accionamiento listo para usar con numerosas funciones integradas. Se incluyen funciones críticas de seguridad y controles de conducción para que puedan integrarse y configurarse fácilmente para adaptarse a aplicaciones específicas. Los sensores integrados y cableados brindan información sobre las condiciones del filtro, el fluido y la transmisión. Los datos del sensor recopilados se agrupan a través de IO-Link y el controlador de la unidad los procesa previamente para conectarse en red con diseños de máquinas modernas.

Máquinas similares y sus módulos serán inalámbricos, intercambiarán información e instrucciones a través de interfaces abiertas y se monitorearán continuamente. Con sus múltiples interfaces Ethernet y su ingeniería de núcleo abierto, CytroBox proporciona esta viabilidad futura. Al igual que los accionamientos electromecánicos modernos, la unidad es compatible con Internet de las cosas mediante CytroConnect de Bosch Rexroth. Toda la información sobre el equipo, desde los componentes y el estado operativo o el trabajo de mantenimiento planificado hasta el análisis de mantenimiento predictivo con la red de diagnóstico en línea (ODiN) de Rexroth, está fácilmente disponible. A pedido, otros paquetes complementarios para funciones de mantenimiento, detección de fallas y mantenimiento predictivo están disponibles como servicios adicionales.

El CytroBox es una unidad de energía hidráulica todo en uno que contiene una unidad de bomba de velocidad variable, un tanque de combustible reducido y electrónica avanzada para monitoreo, control, diagnóstico y comunicaciones.

envuélvelo

Los sistemas hidráulicos tradicionales experimentarán cambios significativos en los próximos 10 años. La inteligencia, los sensores, la electrónica y el software se incorporarán cada vez más al acero y al hierro fundido. Esto estará fuertemente influenciado por las tendencias de TI y automatización. Los usuarios experimentarán la hidráulica industrial como un módulo funcional listo para usar con el mismo nivel de facilidad de uso al que están acostumbrados en el mundo de los consumidores de TI. Aunque actualmente muchos la ven como un dinosaurio, la hidráulica industrial evolucionará gradualmente hasta convertirse en un unicornio atractivo: la hidráulica industrial del futuro. Los nuevos desarrollos en automatización eléctrica y tecnología informática facilitarán la integración de los sistemas hidráulicos industriales y los harán más competitivos.

Las áreas que ofrecen potencial para la hidráulica industrial incluyen ejes compactos, eficiencia energética y facilidad de uso. El desarrollo del nuevo mundo de automatización basado en TI complementará las áreas previamente clave de la hidráulica. La digitalización (software, conectividad, redes privadas, aplicaciones, etc.) y el uso de datos (sensores, servidores web, análisis de datos, servicios IoT, soluciones en la nube, etc.) conquistarán inevitablemente el mundo industrial.

Dr. Steffen Haack es Jefe de la Unidad de Negocios de Hidráulica Industrial en Bosch Rexroth AG en Lohr am Main, Alemania. haga clic aquí Detalles sobre la visión de Bosch Rexroth para el futuro de la hidráulica industrial.

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