Los métodos digitales de desarrollo acortan el plazo de lanzamiento al mercado de los cables de datos en el automóvil

Los vehículos modernos necesitan redes de a bordo altamente complejas, con cables de datos kilométricos que tienen que ser extremadamente fiables y potentes, especialmente en las aplicaciones críticas para la seguridad de la conducción autónoma. Al mismo tiempo, las megatendencias como el Software-defined Vehicle requieren ciclos de desarrollo cada vez más rápidos y soluciones innovadoras. El Time to Market, o sea, el tiempo que transcurre entre la idea inicial hasta la introducción en el mercado, se convierte en un factor competitivo decisivo: las empresas que sacan rápidamente al mercado nuevos sistemas logran ventajas tecnológicas y económicas. Ya casi no hay tiempo para procesos de desarrollo prolongados. En este punto, los métodos digitales de desarrollo tienen como objetivo ayudar a alcanzar la producción en serie más rápidamente. ¿Pero cuáles son exactamente estos métodos?

Alta complejidad técnica y procesual

Especialmente como consecuencia de la introducción gradual de la conducción autónoma, los cables de datos tienen que tener un rendimiento cada vez mayor, ya que son el «sistema nervioso» de los vehículos modernos. Han de transmitir datos a velocidades elevadas, tienen que ser resistentes a las interferencias electromagnéticas, la temperatura y la flexión, y al mismo tiempo, reducir el espacio e, idealmente, los costes.  Por otra parte, los procesos de desarrollo clásicos secuenciales dificultan una aplicación rápida: los largos ciclos de coordinación, los ecosistemas de herramientas fragmentados, las interacciones complejas entre los distintos departamentos y las revalidaciones con cada modificación del diseño consumen un tiempo muy valioso. En muchas ocasiones, los responsables de diseño, simulación, validación y fabricación trabajan en sistemas separados sin una base de datos común. Hay que transmitir la información manualmente, volver a procesarla o convertirla a formatos compatibles. En el desarrollo de las redes de a bordo, se estima que los ingenieros pasan hasta un 80 % de su tiempo de trabajo llevando a cabo y coordinando modificaciones, lo cual es un tiempo inmenso. Estos cuellos de botella muestran que, para reducir el plazo de comercialización, han de adoptarse nuevos enfoques que resuelvan los desafíos técnicos y aceleren el proceso de desarrollo.

Simulación: validación temprana y ahorro de tiempo

Con la validación temprana se acortan considerablemente los ciclos de desarrollo. El software de simulación altamente desarrollado permite revisar virtualmente las propiedades CEM, el comportamiento de las señales y la selección del material en una fase inicial. De este modo se evitan los errores de desarrollo y se reduce el número de prototipos físicos. Un ejemplo concreto es el proyecto BordNetzSim3D, impulsado por BMWK. En él, por primera vez se ha creado una plataforma completamente digitalizada que permite a las empresas desarrollar redes de a bordo mediante simulación, desde la fase conceptual hasta llegar a la producción en serie. Este enfoque digital reduce el plazo de comercialización, dado que las decisiones sobre el diseño ya se validan en la fase conceptual.

Gemelo digital: imágenes virtuales como aceleradoras del desarrollo

Mientras que, en muchas ocasiones, las simulaciones cubren aspectos individuales o situaciones de prueba, el gemelo digital va un paso más allá. El gemelo digital forma un producto físico en un modelo de datos 3D, incluyendo la geometría, las propiedades eléctricas y las influencias externas. De este modo es posible simular y optimizar los sistemas de cables en tiempo real. Los desarrolladores pueden simular el comportamiento durante el funcionamiento en el vehículo incluso antes de la existencia de prototipos reales. Así, por ejemplo, se pueden simular las cargas mecánicas, el envejecimiento térmico o las perturbaciones eléctricas en el modelo digital. Todos los pasos del proceso hasta la producción se pueden vincular entre sí de forma fluida, basándose en una única base de datos digital. Si se detecta un problema (p. ej., un sobrecalentamiento en un punto concreto), el diseño en 3D se puede ajustar y volver a probarse virtualmente. Esto solo requiere unos días, en lugar de muchas semanas. En la práctica, los gemelos digitales ya están mejorando la colaboración entre los equipos y más allá de las fronteras nacionales. Las modificaciones se registran de forma centralizada y son visibles para todos. Este principio «Single source of truth» evita las inconsistencias y permite trabajar en paralelo. De este modo, es posible llevar a cabo el diseño, la simulación y la planificación de la producción al mismo tiempo, sin tener que estar esperándose unos a otros. Los distintos equipos utilizan una base de información común y actualizada, y mantienen sincronizadas sus partes del sistema. Los ajustes en el diseño se prueban y se sincronizan directamente en el modelo digital. Esto ahorra tiempo, aumenta la calidad y permite un desarrollo paralelo.

Creación rápida de prototipos: modelos más rápidos y ciclos de feedback

A pesar de todas las simulaciones, en muchos casos sigue siendo imprescindible realizar un prototipo, ya sea para pruebas táctiles, de montaje en el vehículo o para presentarlos a los clientes. La creación rápida de prototipos consiste en métodos con los cuales se pueden fabricar muestras de una forma especialmente rápida. Sobre todo la impresión en 3D (Additive Manufacturing) es lo que ha supuesto un cambio de paradigma en este aspecto. La impresión en 3D convierte una idea en CAD en un componente tangible en tan solo unas pocas horas. Así, es posible crear componentes, ajustarlos y volver a fabricarlos rápidamente. Actualmente, Additive Manufacturing es capaz de reducir drásticamente los plazos de desarrollo, y así, en muchas ocasiones, a los desarrolladores les queda más tiempo para estudiar diferentes opciones de diseño. Por lo tanto, la creación rápida de prototipos no solo contribuye a que los proyectos sean más ágiles y orientados al cliente, sino que también promueve la creatividad: si hay más ciclos en menos tiempo, esto significa que se pueden probar y optimizar ideas más diversas antes de que un diseño se fabrique en serie. 

Pruebas delta: pruebas específicas en lugar de validar todo de nuevo

Tradicionalmente, casi cualquier cambio requería una validación completa: había que repetir numerosas pruebas para garantizar que se seguían cumpliendo todas las especificaciones, y eso lleva tiempo. Aquí es justamente donde se aplica el concepto de las pruebas delta: en lugar de tener que ejecutar siempre el programa de prueba completo, cuando hay un cambio nos concentramos de forma específica en las áreas afectadas, el delta respecto a la versión anterior. De este modo solo se prueban los componentes que realmente están afectados por el cambio, por ejemplo, en el caso de cambios de material o de pequeños ajustes en el diseño. El requisito es una documentación transparente del cambio y la trazabilidad digital. Las simulaciones y los gemelos digitales ayudan a delimitar de forma exacta las consecuencias y a estimar correctamente los riesgos. En general, en la gestión de cambios, las pruebas delta permiten manejar las modificaciones de forma más ágil: las actualizaciones y mejoras pueden integrarse más rápidamente sin que cada vez haya que cambiar el plazo de lanzamiento. 

«Concurrent Engineering»: desarrollo paralelo

Una palanca central para reducir el plazo de desarrollo es el paso del desarrollo secuencial al paralelo. En el modelo clásico tipo «cascada», cada paso del proceso (p. ej., el diseño de la carcasa) espera a que el paso anterior termine (p. ej., a que el esquema eléctrico esté listo) antes de comenzar el siguiente. Esta secuencia conlleva tiempos de espera y retrasa innecesariamente todo el proyecto. Concurrent Engineering rompe con este esquema: con este método, varios trabajos de desarrollo se ejecutan de forma simultánea y estrechamente coordinada. Por ejemplo, los diseñadores trabajan en la integración mecánica de los cables de datos en el vehículo, mientras que los especialistas en electrónica aún están trabajando en la optimización del esquema eléctrico. Ambos equipos se coordinan continuamente y adaptan los resultados que van obteniendo de forma iterativa. Para ello se requieren modelos de datos integrados y un gran intercambio de información. Todos trabajan al mismo tiempo en el producto, apoyándose en modelos de datos comunes, por ejemplo, en sistemas PLM (Product Lifecycle Management System). El gemelo digital sirve como fuente de información central. Los problemas se detectan y resuelven en una fase muy temprana. Las ventajas del desarrollo paralelo radican en el ahorro de tiempo y la mejora de la calidad del resultado. Los problemas o las inconsistencias entre las distintas áreas técnicas (p. ej., no hay suficiente espacio para un cable con cubierta) se detectan antes, ya que los equipos trabajan simultáneamente en el sistema global interconectado. Los cambios no se realizan al final en complejos ciclos de modificaciones, sino que se integran de forma continua. En conjunto, se va avanzando de forma iterativa hacia un diseño perfectamente ajustado.

Nuevo trabajo: métodos ágiles y equipos distribuidos

No debe subestimarse la influencia de los métodos de trabajo modernos en el tiempo de desarrollo. Las meras herramientas técnicas no son suficientes: la forma en que las personas colaboran es la que determina de forma decisiva la velocidad y la calidad de los proyectos de desarrollo. En el desarrollo de vehículos, que tradicionalmente se ha caracterizado por ciclos largos, el planteamiento ágil está tomando cada vez más fuerza. En los proyectos de hardware se están adaptando métodos del mundo del software, como Scrum o Kanban, para poder reaccionar más rápidamente ante los cambios. Esto significa, por ejemplo, organizar el desarrollo en sprints cortos, evaluar los prototipos (incluso los digitales) de forma temprana y frecuente, y recabar feedback continuamente. Los equipos multidisciplinares, compuestos por desarrolladores, planificadores de producción y especialistas en calidad, unen sus amplios conocimientos y experiencia para resolver rápidamente tareas complejas. Las herramientas digitales como los gemelos digitales facilitan la cooperación, y la colaboración remota permite llevar a cabo proyectos a tiempo real, independientemente de la ubicación.

La introducción de este tipo de formas de trabajo está unida a un cambio en la cultura, pero merece la pena por sus resultados más rápidos y mejores.

Equipos globales de desarrollo de productos perfectamente engranados con sistema CAD unificado en MD ELEKTRONIK

Hace mucho tiempo que MD identificó la tendencia y las ventajas de los métodos de desarrollo digital, y ya aplica muchos de estos componentes en diversos proyectos de desarrollo. Un ejemplo de ello es la evaluación simulada en paralelo de los modelos 3D durante el diseño del producto. Mediante simulación FEM se verifican de forma temprana los parámetros mecánicos, dinámicos y térmicos del componente futuro, y la simulación eléctrica y de alta frecuencia permite evaluar los parámetros para garantizar una transmisión de datos de alto rendimiento. Para ello se ha creado una amplia base de datos de material, que permite un uso eficiente del tiempo al proporcionar las propiedades básicas de los polímeros y los metales con factores dependientes del diseño, por ejemplo, el perfil de temperatura, la atenuación y la conductividad dieléctrica.

Nuestro Centro de prototipado rápido proporciona prototipos a los equipos interdisciplinarios de desarrollo basados en el gemelo digital, utilizando tecnologías de impresión diferentes en función del caso de aplicación. De este modo, ya durante la fase de diseño es posible, entre otros, realizar ensayos en las instalaciones del cliente y los socios de desarrollo, con el fin de, por ejemplo, probar en una fase temprana arquitecturas de sistemas complejas de varios proveedores, así como la interacción de los componentes en un vehículo de prototipo, un vehículo de pruebas técnicas o un vehículo camuflado de pruebas en condiciones cercanas a la realidad.

Los ciclos de diseño paralelos para carcasas, contactos y componentes funcionales garantizan un ciclo de desarrollo rápido, mientras que, gracias a la presencia global de MD, al mismo tiempo pueden tener lugar reuniones de proyecto con el cliente. Basándose en el modelo 3D central ya se desarrollan procesos y herramientas de producción en cuanto el diseño alcanza una cierta madurez. También en este caso, el gemelo digital vuelve a ser la base de la simulación de moldeo por inyección, que identifica y minimiza los efectos del futuro utillaje de fabricación sobre el rendimiento de la pieza.