Priorizar la circularidad en el mundo del diseño y la fabricación

Las empresas se fijan cada vez más objetivos para reducir el impacto medioambiental de sus productos y procesos. El mes pasado, engineering.com publicó un artículo sobre WNDR Alpine, un fabricante de esquís que utiliza tecnología innovadora de microalgas para desarrollar esquís de alto rendimiento. Al reemplazar los productos a base de petróleo con biomaterial al principio del proceso de diseño, WNDR Alpine está impulsando las tendencias para que las empresas adopten la circularidad y anclen la sostenibilidad como un núcleo de su negocio.

Los recursos finitos de nuestro planeta se han tratado tradicionalmente como si fueran ilimitados, mientras que la población mundial crece a un ritmo exponencial. Durante mucho tiempo, el ciclo de vida del producto ha seguido un enfoque lineal en el que los productos se crean, utilizan y desechan, en línea recta hasta el basurero.

La circularidad, por otro lado, se refiere a un sistema de circuito cerrado donde los productos están diseñados para minimizar el desperdicio y permanecer en uso durante el mayor tiempo posible. Cuando un producto que sigue un modelo circular llega al final de su vida útil, sus componentes y materiales se pueden reutilizar, refabricar, renovar, reciclar y reciclar fácilmente, en lugar de terminar en vertederos. Implementar la circularidad va mucho más allá del simple reciclaje; Implica generar una estrategia industrial alrededor de todo el proceso de fabricación, desde el diseño del producto hasta los modelos comerciales y los flujos de trabajo de información, la cadena de suministro y la infraestructura de gestión de residuos que respalda el ciclo de vida del producto.

Una persona apasionada por la circularidad es Zoe Bezpalko, gerente de estrategia de sostenibilidad de Autodesk para la industria del diseño y la fabricación. Engineering.com tuvo la oportunidad de entrevistar a Bezpalko, cuya función consiste en supervisar el desarrollo y la implementación de las herramientas de última generación de Autodesk para promover la sostenibilidad.

“La mayor parte de mi trabajo se centra en el futuro de nuestra tecnología”, dice Bezpalko. “Trabajo con equipos de investigación y productos para posicionar nuestras herramientas de modo que respondamos a las tendencias en apoyo de la economía circular en su conjunto, y en particular en lo que se refiere al diseño circular”.

Bezpalko defiende que la transición a un modelo circular exitoso implica un enfoque multifacético hacia las fases de diseño, fabricación y uso de un producto, seguidas de su etapa de fin de uso. En el proceso, es posible que sea necesario resolver problemas complejos y pueden surgir ineficiencias que requieran la utilización de tecnologías avanzadas como la inteligencia artificial (IA).

Circularidad en el diseño

“La circularidad comienza con el diseño”, afirma Bezpalko. “El diseño es el núcleo de la sostenibilidad a la hora de definir el tipo de material y la construcción, si el producto se puede desmontar fácilmente o si se pueden recuperar sus componentes y materiales. No se puede reciclar algo que no haya sido diseñado para ser reciclado «.

La capacidad de consolidar piezas es valiosa, ya que mejora la capacidad de reparación y la facilidad de desmontaje. Por ejemplo, si los plásticos se pegan, puede ser difícil desarmarlos después de que un producto llega al final de su uso. La presencia de pegamento además reduce la calidad del material reciclado al final del flujo de residuos. Sin embargo, si se usara una sola fuente de plástico donde se unieran varios componentes, esto presentaría un conjunto completo de materiales que podrían transformarse en un nuevo producto con relativa facilidad.

Otro enfoque consiste en diseñar piezas modulares que se puedan transferir fácilmente para reutilizarlas en otros objetos. Este método de estandarización lo aplica un fabricante de muebles llamado 57st. design , que crea muebles a medida con elementos como sillas intercambiables y patas de mesa. En lugar de tener que desechar un mueble completo, se pueden usar materiales y los productos pueden tener múltiples vidas, minimizando el desperdicio.

El diseño generativo es otra estrategia clave en la que el diseño de productos apoya la circularidad. El método aprovecha la inteligencia artificial para diseñar productos que cumplan con sus requisitos funcionales sin el sesgo humano asociado con cómo se percibe típicamente un producto. Al implementar la tecnología de exploración de diseño, los diseñadores e ingenieros especifican parámetros como objetivos de diseño, materiales, métodos de fabricación y restricciones de costos. El software asistido por IA explora todas las posibles permutaciones y ofrece una gama de alternativas de diseño. Cada iteración brinda oportunidades para que el software pruebe y aprenda sus soluciones, hasta que se logre un diseño final.

“Solo usa el material que necesita para un diseño específico, por lo que no sobre-diseña su producto”, explica Bezpalko. «El diseño generativo ofrece excelentes beneficios de sostenibilidad».

Uso de software impulsado por IA para generar opciones de diseño relevantes.  (Imágenes cortesía de Whill).

Una ilustración destacada del diseño generativo es la silla AI , la primera silla de producción del mundo creada a través de una conversación iterativa entre un diseñador y AI. La silla fue el resultado de una colaboración entre Philippe Starck, Kartell y Autodesk. Se utilizó un algoritmo para garantizar que se usara la menor cantidad de materia prima y el moldeo por inyección se designó como una restricción de fabricación. El diseño de la silla fue reinventado, sin dejar de cumplir su propósito de proporcionar un lugar cómodo para que las personas descansen sus cuerpos. Se mantuvo la durabilidad estructural y se utilizó material 100 por ciento reciclado de los restos de producción industrial.La silla AI de Philippe Starck, Kartell y Autodesk. (Imagen cortesía de Autodesk).

Otro ejemplo de diseño generativo fue presentado por una empresa llamada Whill , un cliente de Autodesk que se esfuerza por crear una silla de ruedas que maximice la duración de la batería y minimice el peso. El software de IA de Autodesk permitió a los diseñadores ingresar requisitos y restricciones, generando posteriormente cientos de opciones que cumplían con los criterios de diseño. Después de explorar el campo de posibilidades, los ingenieros finalizaron un diseño que era un 30 por ciento más liviano que una silla de ruedas tradicional, con una duración de la batería considerablemente mayor como resultado, debido al hecho de que se necesitaba gastar menos energía para mover la silla de ruedas liviana.El diseño final de la silla de ruedas Whill.  (Imagen cortesía de Whill.)

Según Bezpalko, el diseño inteligente puede generar conocimientos durante todo el ciclo de vida del producto, incluida una mejor comprensión de los residuos en la fabricación.

“Uno de los mayores valores del diseño generativo es aplicar métodos de fabricación aditiva a la impresión 3D, que tiene la ventaja de imprimir solo el material que necesita y, por lo tanto, reducir el desperdicio en la producción”, describe Bezpalko.

Circularidad en la fabricación

Cuando se trata de fabricación, la funcionalidad clave dentro de las herramientas de Autodesk puede mejorar la circularidad a través de un diseño mejorado. Por ejemplo, el software Autodesk Moldflow permite a los diseñadores seleccionar materiales alternativos para el moldeo por inyección de su base de datos de más de 10,000 materiales. Los materiales sostenibles incluyen plásticos de base biológica como el ácido poliláctico (PLA) y el Rilsan PA11 de Arkema, un polímero de alto rendimiento de origen 100% renovable.

“Moldflow también tiene un indicador de reciclabilidad incrustado en su base de datos de materiales”, agrega Bezpalko.

Con la tecnología que ofrece una comprensión más profunda del valor de los materiales sostenibles, la industria manufacturera puede evolucionar y aprovechar aún más la energía necesaria para producir artículos.

Otra innovación de Autodesk incorpora el uso del aprendizaje automático para enseñar a los robots a construir objetos físicos cuando se les proporciona un modelo virtual. En el futuro, estos avances en la producción podrían ayudar a los fabricantes a ser más modulares y adaptables a sus demandas.

“Nuestro equipo de robótica ha desarrollado modelos de IA que básicamente construyen su modelo en CAD”, detalla Bezpalko. “Lo envías a través de una máquina, que reconoce y construye el modelo en la vida real. Esto crea un proceso de fabricación que es más personalizable y, por lo tanto, genera menos desperdicio «.

Autodesk llevó a cabo su investigación robótica utilizando bloques de Lego.  (Imagen cortesía de Autodesk University).

La fabricación circular implica una mejor conexión y flujo de información. Una aplicación es el anidamiento, que se refiere al proceso de diseñar patrones de corte a partir de hojas planas de materia prima para minimizar el desperdicio.

“La máquina corta formas en un diseño 2D”, explica Bezpalko. “Pone todas las formas juntas lo más cerca posible, de modo que haya espacios mínimos entre ellas que se desecharán. Entonces tenemos esta funcionalidad en anidamiento llamada ahorro remanente. Si ha creado desechos, digamos que usa solo la mitad de su gran hoja de metal, puede guardar esos restos con un número de identificación en su inventario. La próxima vez que desee realizar un corte de hoja plana, puede reutilizar estos residuos automáticamente para su nuevo diseño. Al poner los datos en el centro del ciclo de vida, puede aprovecharlos para crear conocimientos que incentiven un diseño circular más sostenible «.

Circularidad en la fase de uso

El objetivo de la circularidad es garantizar que un producto permanezca en uso el mayor tiempo posible, manteniendo su valor más alto a lo largo del tiempo. En la fase de uso, esto se puede lograr mediante un enfoque proactivo hacia el mantenimiento predictivo.

Un cliente de Autodesk Foundation llamado SweetSense desarrolla tecnologías de IoT para gestionar servicios de agua y energía en entornos remotos fuera de la red. La compañía crea sensores conectados que aprovechan el aprendizaje automático y la inteligencia artificial para detectar cuándo una bomba de agua está a punto de romperse. Se alerta a los equipos con anticipación para que realicen el mantenimiento y se aseguren de que no ocurran fallas, lo que aumenta la vida útil de las bombas.

(Imagen cortesía de SweetSense.)

SweetSense monitorea el suministro de agua de más de tres millones de personas en el este de África, además de ser empleado en California para el cumplimiento de la Ley de Manejo Sostenible de Aguas Subterráneas (SGMA). Cuando se trata de la distribución de agua en las naciones de África Oriental, SweetSense asegura una resistencia adicional al utilizar datos estimados de lluvia de la NASA para predecir las necesidades de infraestructura hídrica de las regiones. El lema de la empresa es: «Arreglamos el Internet de las cosas rotas».

Circularidad en el fin de uso

Aunque el reciclaje es un gran componente de la circularidad, conlleva una multitud de desafíos. Los sistemas de recuperación ineficientes, los altos niveles de contaminación, la falta de estandarización y la infraestructura inadecuada son algunos factores que plantean dificultades considerables en torno al reciclaje de plásticos . Por ejemplo, las técnicas tradicionales de reciclaje hacen que sea imposible mezclar diferentes tipos, o incluso diferentes colores, de plásticos. Como resultado, menos del nueve por ciento del plástico se recicla en todo el mundo. Debido a la relativa facilidad con la que se puede crear plástico virgen a partir de petróleo crudo de bajo costo, aproximadamente $ 100 mil millones en plástico de un solo uso finalmente terminan en océanos y vertederos cada año.

(Imagen cortesía de Autodesk).

Incluso cuando los productos llegan a las instalaciones de reciclaje, abundan los problemas adicionales cuando se trata de clasificación.

“Si visita su instalación de gestión de residuos local, lo primero que verá es una cinta transportadora con personas a ambos lados”, afirma Bezpalko. “Este transportador va a 13 mph, por lo que es muy rápido. La gente tiene que reconocer visualmente qué va a dónde, y puede ser bastante peligroso manipular elementos en estos flujos de desechos. Las instalaciones de gestión de residuos están teniendo dificultades para contratar para estos puestos «.

Una vez clasificados los productos, el proceso de reciclaje sigue siendo caro.

“Dependemos principalmente del reciclaje mecánico, donde trituramos y fundimos materiales en una nueva forma”, dice Bezpalko. «Eso viene con el desafío de hacer un ciclo en el tiempo del material una y otra vez, y el material pierde valor».

Como se mencionó anteriormente, los productos no suelen estar diseñados para reciclarse fácilmente. Por ejemplo, considere una botella de jabón de plástico con un resorte de metal.

“Incluso si cada material en su botella de jabón es reciclable, cuando se sube a esta cinta transportadora a 13 mph, la persona no va a tomar la botella para fregarla y quitarle su pequeño resorte”, atestigua Bezpalko. “Va directo al vertedero. Realmente tenemos que empezar a pensar en el reciclaje desde la fase de diseño y empezar a desarrollar la estandarización en la forma en que fabricamos productos, seleccionamos materiales, etc. «

Según Bezpalko, uno de los principales problemas del reciclaje es que los diseñadores no tienen la información adecuada sobre lo que se puede reciclar. Las empresas de gestión de residuos, a su vez, tienen datos limitados sobre los flujos de residuos entrantes, lo que las deja sin preparación para adaptar su infraestructura para el reciclaje.

Un socio de Autodesk que ayuda a cerrar el ciclo es AMP Robotics , un pionero en inteligencia artificial y robótica que clasifica los desechos en sus flujos de reciclaje adecuados. AMP Robotics moderniza la infraestructura de reciclaje mediante el empleo de su sistema de robótica de alta velocidad AMP Cortex, que identifica y clasifica los materiales reciclables a partir de flujos de desechos de materiales mixtos a una tasa de recolección superior a 80 artículos por minuto, con mayor precisión y consistencia que los humanos. La plataforma AMP Neuron AI diferencia los objetos por color, textura, forma, tamaño, patrón, opacidad e incluso la etiqueta de la marca; se entrena continuamente a medida que se encuentra con más elementos.

AMP Robotics utiliza inteligencia artificial y análisis de datos avanzados para clasificar los materiales reciclables. 

“AMP Robotics tiene tanto éxito que las grandes marcas de consumo como Unilever les envían sus diseños de productos y embalajes antes de que salgan al mercado, para que puedan ayudar a las instalaciones de reciclaje a prepararse para los nuevos materiales y corrientes de reciclaje que se avecinan”, revela Bezpalko. “Crea procesos mucho más eficientes en términos de cuánto se puede reciclar y también es más seguro. También es un gran ejemplo de una mejor transferencia de información a lo largo del ciclo de vida del producto, porque ahora está conectando lo que se puede reciclar desde una perspectiva de diseño, con la forma en que realmente se selecciona y clasifica en las instalaciones de administración «.

Otra corporación que se ha asociado con AMP Robotics es el gigante de bebidas de consumo Keurig Dr Pepper (KDP), que recientemente convirtió sus cápsulas de café K-Cup en polipropileno reciclable. Las dos empresas están trabajando juntas para garantizar que las cápsulas K-Cup sean reconocidas por los sistemas robóticos de AMP en las instalaciones de reciclaje.

La IA también se puede aprovechar para permitir la circularidad en el mundo de la moda, una industria conocida por generar enormes cantidades de desechos. Una empresa llamada ThredUp está haciendo arreglos para que la ropa vuelva a utilizarse mediante la reventa, las donaciones y el reciclaje, impulsando la circularidad al mantener millones de ropa fuera de los vertederos. ThredUp utiliza la inteligencia artificial proporcionada por Vue.ai para procesar los artículos mediante el etiquetado visual automatizado, con atribuciones asignadas por escote, patrón, marca, color, estilo, desgaste y mucho más.

(Imagen cortesía de ThredUp.)

A diferencia de los humanos, ThredUp puede manejar grandes volúmenes de ropa gracias a su extensa base de datos, que representa a más de 35,000 marcas. La empresa, que ha procesado más de 100 millones de artículos hasta la fecha, personaliza las experiencias de reventa según el comportamiento de navegación de los usuarios junto con la implementación de análisis predictivos y datos de tendencias. Los clientes que limpian sus armarios son recompensados ​​con crédito para compras en los sitios de marcas asociadas. Si los artículos están más allá del punto en el que se pueden usar, se envían de manera eficiente para su reciclaje en otras formas textiles.

El futuro de la fabricación sostenible

Bezpalko cree que los métodos para obtener materias primas son actualmente más simples que los complicados procesos relacionados con la reutilización de materiales. El obstáculo es desbloquear la información y el acceso a materiales reciclados, haciéndolos tan fáciles de obtener como pedir piezas nuevas de un catálogo. La circularidad solo se puede establecer cuando la información fluye a lo largo de todo el ciclo de vida de los productos y las cadenas de valor se polinizan de forma cruzada entre las industrias. Tecnologías como la inteligencia artificial y el aprendizaje automático ofrecen soluciones prometedoras para abordar estas complejidades.

«Definitivamente está ocurriendo una aceptación en este momento que no tiene precedentes, particularmente debido a la presión de los consumidores», expresa Bezpalko. “Creo que el futuro será donde el diseño circular sea simplemente un buen diseño, y la sostenibilidad esté integrada en nuestros procesos de diseño y fabricación como una prioridad. Preveo un futuro en el que los productos, materiales y componentes circulen indefinidamente, de modo que esencialmente no tengamos residuos ni contaminación. Mi sueño es un mundo que sea regenerativo por diseño «.

Por: Sana Kazilbash, engineering.com