Toshiba: ¿Qué diferencia a las bolas de cerámica de Toshiba (50% del mercado mundial*)?

Jul 13, 2023

Cuanta más gente utilice vehículos eléctricos (EV), más nos acercaremos a la neutralidad de carbono y, afortunadamente, las ventas de estos vehículos han aumentado en todo el mundo en los últimos años. Sin embargo, un problema que puede ocurrir con los vehículos eléctricos es la "corrosión eléctrica" ​​de los cojinetes que montan las distintas partes vitales del vehículo en el motor.- un problema grave, ya que puede provocar la avería del vehículo. Afortunadamente, las bolas cerámicas que Toshiba ha desarrollado para su uso en estos rodamientos han logrado resolver este problema.

Las bolas de cerámica de Toshiba Materials se suministran a los fabricantes de pulido y luego a los fabricantes de rodamientos, después de lo cual son utilizadas principalmente por los fabricantes de automóviles europeos y estadounidenses. La experiencia y la capacidad tecnológica de Toshiba, así como sus avanzadas inspecciones de calidad basadas en IA, es lo que hace posible esto (y su participación del 50 % en el mercado mundial*). Aquí, echamos un vistazo a las inspecciones de calidad basadas en inteligencia artificial que Toshiba utiliza para estas bolas de cerámica.

Bolas cerámicas de alto rendimiento patentadas por Toshiba

Súbete a un vehículo eléctrico por primera vez y sentirás por ti mismo cuál es el automóvil del futuro y en qué se diferencia de un vehículo de gasolina. No hay ningún rugido característico del motor, incluso cuando se pisa a fondo el acelerador, y aun así el coche acelera: suave, silenciosa y poderosamente. Esta sensación distintiva es posible gracias a los motores y a los cojinetes que son esenciales para estos motores.

"Los rodamientos son piezas de máquinas que permiten que los ejes giren de manera suave. Están compuestos por un anillo interior, una bola y un anillo exterior". Así lo explica Katsuhiko Yamada de Toshiba Materials. El aro interior, la bola y el aro exterior de los rodamientos suelen estar hechos de metal.Sin embargo, la alta potencia requerida por los motores de vehículos eléctricos puede provocar un fenómeno llamado corrosión eléctrica, que ha sido durante mucho tiempo un problema con estos rodamientos.

Diagrama esquemático del rodamiento.

"El eje está unido al anillo interior, con bolas entre los anillos exterior e interior. Las bolas son las que permiten que el eje gire suavemente. Las bolas siempre deben estar en contacto con los anillos interior y exterior, pero inevitablemente se crean pequeños espacios entre las bolas y los anillos. Cuando la electricidad pasa a través de estos huecos, la descarga eléctrica puede provocar chispas que dañan las bolas. Esto es lo que se llama corrosión eléctrica. Los motores de alta potencia son especialmente propensos a la corrosión eléctrica debido a que el eje gira tan rápidamente.", dice Yamada.

Katsuhiko Yamada, líder de grupo, Grupo de tecnología de fabricación de FC estructurales, División de fabricación de FC estructurales, Toshiba Materials Co., Ltd.

Los rodamientos no se pueden reemplazar fácilmente una vez que se ensambla el vehículo. En Estados Unidos, se espera que los rodamientos utilizados en los vehículos eléctricos sean de calidad suficiente para soportar largas distancias. Los rodamientos de alto rendimiento impulsarían el uso generalizado de vehículos eléctricos y contribuirían al avance hacia la neutralidad de carbono. El fenómeno de la corrosión eléctrica había obstaculizado estos esfuerzos, pero ya no: ahí reside la belleza de las bolas cerámicas de Toshiba.

¿Qué tienen las bolas de cerámica que previenen la corrosión eléctrica? "La cerámica es aislante, es decir, no conduce la electricidad", explica Yamada. Las bolas de cerámica, continúa, pesan menos de la mitad que las de metal, son muy resistentes al calor y a cosas como la corrosión y el óxido causados ​​por ácidos y álcalis.

Toshiba fabrica bolas de cerámica desde hace mucho tiempo, desde 1974, cuando la empresa adquirió una patente para el nitruro de silicio, la materia prima utilizada para fabricar bolas de cerámica. Si bien había varios materiales que podían usarse para fabricar estas bolas, incluida la alúmina, Toshiba optó por el nitruro de silicio específicamente debido a la naturaleza liviana y de alta resistencia del material.

"Las bolas cerámicas de Toshiba se utilizaron por primera vez en rodamientos para máquinas herramienta en 1985, luego en turbobombas para transbordadores espaciales en 1995 y en turbinas eólicas en 2008. Hoy en día, también se utilizan en motores de aviones y equipos médicos", afirma Yamada.

bolas de ceramica toshiba

Fue en 2014, después de que el impulso hacia la neutralidad de carbono impulsara un aumento dramático en la demanda de vehículos eléctricos, que se implementaron por primera vez en los motores de vehículos eléctricos. Toshiba suministra bolas de cerámica principalmente a fabricantes europeos y estadounidenses, y actualmente posee aproximadamente el 50% *de la cuota de mercado de bolas de cerámica en todo el mundo. La razón por la que tantos han elegido a Toshiba es, por supuesto, la confiabilidad de la empresa, respaldada por su trayectoria comprobada y sus capacidades tecnológicas.

Detrás de escena del desarrollo de Toshiba de un sistema de inspección de calidad basado en IA

La creciente demanda supone una carga sustancial para la parte del proceso de inspección de calidad. Inicialmente, las inspecciones de calidad de las bolas de cerámica consistían en inspecciones visuales, realizadas por inspectores que habían superado pruebas internas. Sin embargo, el envejecimiento de los inspectores experimentados y la reciente escasez de mano de obra dieron lugar a una necesidad urgente de realizar inspecciones automáticas.

El primer intento con una máquina de inspección automática no salió muy bien. Yamada dice: "El sistema de inspección automática fue diseñado para capturar imágenes, evaluarlas y señalar productos defectuosos. Pero no pudo evaluar adecuadamente la coloración desigual de las bolas de cerámica". Parte del proceso de fabricación de cerámica implica hornear el material a altas temperaturas.Si bien los inspectores humanos experimentados podían identificar intuitivamente pequeños agujeros y otros defectos a través de sutiles diferencias de color, esto resultó serDemasiado difícil para las máquinas.

"Lo admito ahora, pero en ese momento ya había abandonado la tecnología", dice Yamada con una sonrisa irónica. "Lo dejé de lado". Es decir, hasta que el Centro Corporativo de Ingeniería de Fabricación de Toshiba acudió al rescate.

Taisuke Washitani, del Centro Corporativo de Ingeniería de Manufactura, recuerda la situación en ese momento. "En ese momento, estábamos promoviendo la automatización de los procesos de fabricación e inspección. Estuve visitando muchos sitios diferentes, y el de Yamada era uno de ellos. Tan pronto como vi las imágenes introducidas en la máquina de inspección automática, supe intuitivamente que esta tarea es muy adecuada para el aprendizaje profundo de la IA", afirma Washitani.

Taisuke Washitani, Especialista, Departamento de Investigación de Tecnología de Inspección y Óptica, División de Tecnología de Inspección y Procesos de Fabricación, Centro Corporativo de Ingeniería de Fabricación, Toshiba Corporation

Inmediatamente propuso un sistema de inspección de calidad basado en IA y la máquina de inspección almacenada volvió a la vida, pero de una manera diferente.

" El Centro Corporativo de Ingeniería de Manufactura prioriza las necesidades del sitio. Intentamos maximizar la utilidad de los dispositivos y tecnologías utilizados en estos sitios para mejorar el proceso de fabricación. En este caso pudimos hacer uso de una máquina de inspección automática que fotografía las bolas mientras las hace girar. Determinamos que si podíamos idear un sistema de inteligencia artificial que pudiera evaluar si las imágenes son buenas o no, entonces la máquina definitivamente sería útil.", dice Washitan.

Capturar imágenes de una bola de cerámica mientras las gira en tres direcciones/ángulos diferentes, utilizando un sensor de línea

Se utilizó un algoritmo típico de aprendizaje profundo para el sistema de IA."La parte difícil no fue desarrollar el algoritmo, sino las partes más tediosas", dice Washitani, reflexionando sobre el hecho de que el sistema de IA no funcionó como se esperaba al principio.

"La IA aprende de los datos creados por las personas. Cuando los datos contienen ambigüedades, es decir, imágenes que algunos inspectores considerarían defectuosas pero otros no, el juicio de la IA también se vuelve ambiguo. Por lo tanto, no pudimos obtener el tipo de precisión que necesitábamos.

Lo que terminamos haciendo para mejorar la precisión fue simplemente no enviar imágenes ambiguas a la IA. Esta fue una forma tediosa de resolver el problema, pero funcionó. Una vez que la IA se volvió relativamente utilizable, la implementamos en los sitios e hicimos que la gente verificara el juicio de la IA para mejorar el algoritmo. El proceso llevó mucho tiempo, la IA aprendió así durante aproximadamente un año y medio y el algoritmo mejoró poco a poco", dice Washitani.

Mucha gente escucha la IA y la considera algo parecido a la magia. Para que los sistemas de IA sean realmente utilizables en los sitios, necesitan los datos de capacitación correctos y el ajuste adecuado por parte de los ingenieros en el sitio. El desarrollo de dicha inspección de calidad basada en IA puede haber sido posible sólo porque Toshiba posee muchas patentes de IA.

Cómo MLOps reduce drásticamente los tiempos de inspección y los costos laborales

Y así se implementó el sistema de IA para la inspección de calidad. Esto, sin embargo, fue sólo el comienzo de la historia. Esto se debe a que la precisión de este tipo de inspección de calidad de IA fluctúa con el más mínimo cambio en las condiciones anteriores, como la forma en que la luz incide en las bolas de cerámica o los cambios en el material mismo. Para mantener la precisión, el sistema de IA debe ajustarse para tener en cuenta estos cambios. En otras palabras, no basta con operar el sistema: también hay que darle mantenimiento. Aquí es donde entra en juego MLOps.

MLOps es un término que combina "aprendizaje automático" con "operación". Tomoya Kobatake, que desarrolla sistemas MLOps en el Centro de Tecnología de Innovación Digital de Toshiba, dice: "Estos sistemas automatizan todo el ciclo de vida de un sistema de IA, desde la verificación de la precisión hasta la actualización de sus procesos de aprendizaje".

Tomoya Kobatake, Especialista, División de Plataforma de Servicios, Oficina de Desarrollo Tecnológico, Centro de Tecnología de Innovación Digital, Toshiba Corporation

"Nuestras bolas de cerámica pasan por ligeros cambios cada año y medio debido a cambios en el material y otros factores. Para mantener la precisión de las inspecciones de calidad, tenemos que actualizar continuamente el propio sistema de IA. El sistema MLOps automatiza ese proceso. " dice Kobatake.

Anteriormente, Washitani mencionó la forma "tediosa" en la que inicialmente habían mejorado la precisión del sistema de IA. "Creo que si hubiéramos usado MLOps desde el principio, podríamos haberlo hecho de manera más eficiente", dice. Resulta que el sistema MLOps en cuestión no estuvo listo a tiempo para el desarrollo de la IA de inspección de calidad de bolas cerámicas. Como tal, se implementó después de que el sistema de IA ya estuviera en funcionamiento.

sistema mlops

" Al implementar MLOps en todos nuestros sistemas de IA en el futuro, podríamos acortar los tiempos de desarrollo, mantener y mejorar la precisión y reducir la mano de obra necesaria para operar los sistemas de IA. El equipo a cargo del sistema MLOps es pequeño y flexible, la propia empresa toma e implementa decisiones más rápido y hay mucha colaboración horizontal. Queremos utilizar estas fortalezas para implementar MLOps en todas las diferentes áreas de Toshiba.", dice Kobatake.

Así surgió el sistema de control de calidad basado en IA para las bolas cerámicas de Toshiba. Y, de hecho, ha sido notablemente eficaz para resolver el problema de la escasez de mano de obra que el proceso ha enfrentado durante mucho tiempo.

" Hemos podido reducir drásticamente el tiempo dedicado a estas inspecciones. Las bolas de cerámica son caras en comparación con sus homólogas de metal. Tienen tantas fortalezas diferentes y, sin embargo, no han podido reemplazar a los de metal precisamente por este problema en particular. Si podemos reducir el costo mediante la inspección de calidad de la IA, podremos reducir el precio de los productos mismos.", dice Yamada.

Como se mencionó al principio del artículo, el uso de vehículos eléctricos se está acelerando con el avance hacia la neutralidad de carbono. Esto supondrá un nuevo aumento de la demanda de bolas de cerámica. El plan de Toshiba es construir un nuevo edificio de producción y aumentar la capacidad de producción en un 150% de lo que era en el año fiscal 2021.

Finalmente, preguntamos a los tres integrantes sobre sus impresiones sobre el proyecto.

"La expansión de la producción de bolas de cerámica hará que la inspección de calidad sea aún más importante. Habrá discrepancias de juicio incluso entre inspectores experimentados y, para empezar, el número de inspectores experimentados está disminuyendo. Con la IA, podremos juzgar la calidad con los mismos estándares y ahorrar mano de obra. Esto proporciona un mayor valor no sólo a Toshiba, sino también a nuestros clientes.", dice Yamada.

"El Centro Corporativo de Ingeniería de Fabricación trabaja para automatizar varios sitios como el ala de investigación de Toshiba en su conjunto.Queremos compartir e implementar la experiencia que hemos adquirido en un sitio, como en este proyecto, con otros, y polinizar de esa manera.", dice Washitan.

"Toshiba posee tecnologías de primer nivel en investigación, desarrollo y producción. El objetivo es utilizar nuestras fortalezas al 120% y hacer las cosas que solo nosotros podemos hacer como Toshiba, tanto como sea posible y tan rápido como podamos. MLOps es una plataforma para lograr este objetivo.Queremos vincular los sistemas de inteligencia artificial de vanguardia de Toshiba con varios negocios diferentes y contribuir a nuestros clientes y a la sociedad en general.", dice Kobatake.

*Participación de mercado de bolas de nitruro de silicio (a julio de 2022); estudio interno

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