Implementar principios de economía circular en procesos de ingeniería de sistemas es un enfoque innovador para crear sistemas sostenibles y eficientes. Se centra en reducir los desechos, maximizar el uso de recursos y diseñar productos y procesos que son ambientalmente responsables durante todo su ciclo de vida. Este cambio de modelos lineales tradicionales —a menudo llamados "toma-despose"— requiere a ingenieros y organizaciones repensar cómo se conciben, desarrollan y se retiran los sistemas de integración de valor real.

Comprender la economía circular en ingeniería de sistemas

La economía circular es un modelo que contrasta con los sistemas lineales tradicionales, que normalmente siguen un patrón de 'toma-despose'. En cambio, destaca el diseño de sistemas que promueven la reutilización, la remanufactura y el reciclaje, minimizando así el impacto ambiental y conservando recursos.En la ingeniería de sistemas, esto significa ver cada subsistema, componente y flujo de materiales como parte de un circuito cerrado donde los desechos se diseñan desde el concepto biológico de endop.

La ingeniería de sistemas se centra tradicionalmente en optimizar el rendimiento, el costo y el calendario. Pero cuando la circularidad se añade como requisito básico, los ingenieros deben tener en cuenta variables como escasez de materiales, toxicidad, reparabilidad y reciclabilidad. Por ejemplo, un sistema circular podría priorizar arquitecturas modulares que permiten actualizar componentes individuales sin descartar toda la asamblea. También podría especificar materiales que pueden ser devueltos de forma segura a la biosfera o reprocesamiento de los recursos secundarios.

La integración de los principios de economía circular en la ingeniería de sistemas requiere un cambio de mentalidad, ya que los desechos son un subproducto inevitable para reconocerlo como un recurso fuera de lugar. Este paradigma, a veces llamado diseño regenerativo, se alinea con objetivos de sostenibilidad más amplios como los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas y los compromisos corporativos de net-cero.

Principios clave para la integración

Para incorporar la circularidad en la ingeniería de sistemas, los profesionales deben centrarse en un conjunto de principios básicos que guían la adopción de decisiones desde el concepto hasta el cierre. La lista que figura a continuación se amplía a los principios comunes y añade varios que son especialmente pertinentes para los sistemas de ingeniería complejos.

  • ]Diseño para la longevidad: Creación de sistemas y componentes que duran más tiempo y pueden ser fácilmente mantenidos o actualizados. Esto implica seleccionar materiales duraderos, utilizando revestimientos resistentes a la corrosión, y diseñar para un fácil acceso a partes reemplazables. En sistemas de software, esto se traduce en un código modular limpio que puede ser reparado o refactorizado con el tiempo.
  • ]Eficiencia de recursos: Optimizar el uso de materiales para reducir los desechos durante la fabricación y operación. Las técnicas incluyen el ligero, la fabricación aditiva (3D para reducir los desechos materiales y la producción a tiempo justo que minimiza el inventario. La eficiencia energética y del agua también son consideraciones de recursos críticos.
  • Reciclaje y Reutilización: Incorporación de procesos que permiten recuperar y reutilizar materiales al final de la vida de un sistema. Esto requiere una etiqueta clara de materiales, diseño para una fácil separación de diferentes corrientes de materiales, y establecer cadenas de suministro inversa. Para la electrónica, esto puede implicar diseñar tableros de circuito impresos que puedan ser fácilmente despoblados y los metales preciosos recuperados.
  • Producto como Servicio (PaaS): Se cambia de propiedad a modelos basados en servicios para fomentar el intercambio de recursos y la reutilización. En lugar de vender un sistema, una empresa conserva la propiedad y los cargos por rendimiento o uso. Esto incentiva la durabilidad, la reparabilidad y la mejora porque el fabricante sigue siendo responsable del sistema durante toda su vida.
  • Modularidad y Normalización: Los sistemas de ruptura en módulos independientes que pueden ser intercambiados, actualizados o reciclados independientemente. Las interfaces estándar (mecánica, eléctrica, software) garantizan la compatibilidad entre generaciones y proveedores. El enfoque ]modular design es una piedra angular de los sistemas circulares porque permite una reparación integral.
  • ]Design for Disassembly (DfD): Crear sistemas que se pueden desmontar fácilmente para la reparación, remodelación o reciclaje. Esto significa usar acoplamientos como tornillos o ajustes en lugar de adhesivos o soldaduras, colocando conexiones en lugares accesibles, y proporcionando instrucciones claras de desmontaje de la caja de energía de disfraces es particularmente importante para complejos de energía.
  • ] Salud y Circularidad Material: Elegir materiales sostenibles, reciclables y no tóxicos para facilitar el reutilización. Evitar sustancias peligrosas garantiza que los materiales puedan recuperarse y regresarse de forma segura a ciclos de producción.El principio Salud Material del marco de certificación de cuna a cuna proporciona orientación sobre la selección de materiales seguros[LT2]
  • ]Trazabilidad de datos y digitales: Usando sensores, etiquetas RFID y blockchain para rastrear materiales y componentes a lo largo de su ciclo de vida. Estos datos permiten tomar decisiones informadas sobre cuándo reparar, actualizar o reciclar, y admite mercados secundarios para piezas usadas. Los gemelos digitales pueden simular escenarios de fin de vida y optimizar estrategias de circularidad.

Implementación en procesos de ingeniería de sistemas

Integrating circular economy principles into systems engineering involves several strategic steps. These steps can be woven into existing process frameworks such as the INCOSE Systems Engineering Handbook or the ISO/IEC 15288 standard for system life cycle processes. Below are detailed actionspara cada fase del ciclo de vida de ingeniería.

Evaluación del ciclo de vida

Evaluar los impactos ambientales en cada etapa de la vida del sistema para identificar oportunidades de mejora. La evaluación del ciclo de vida (LCA) debe comenzar en la fase de diseño conceptual y continuar a través del diseño detallado, fabricación, operación y final de vida. Las herramientas LCA pueden cuantificar el carbono encarnado, el uso del agua, la toxicidad y el agotamiento de recursos.

Diseño para el desmontaje

Crear sistemas que se pueden desmontar fácilmente para la reparación, remodelación o reciclaje. Esto requiere una cuidadosa selección de métodos de fijación - utilizar acoplamientos reutilizables en lugar de adhesivos o soldaduras permanentes- y diseñar mezclas de material mínimas. Los ingenieros también deben planificar el orden de desmontaje: componentes con vidas de servicio más cortas deben ser más accesibles.

Selección de materiales

Elegir materiales sostenibles, reciclables y no tóxicos para facilitar el reutilización, lo que implica la compatibilidad con la infraestructura de reciclaje, evitando compuestos multimateriales que son difíciles de separar y dando preferencia al contenido renovable o reciclado. Los equipos de ingeniería deben mantener una base de datos de materiales con métricas de origen circular, como la tasa de reciclabilidad, el contenido reciclado y la biodegradabilidad.

Colaboración de los interesados

La ingeniería de sistemas circulares no puede ocurrir en un silo; requiere la entrada de todos los que tocan el producto. La participación temprana de los procesadores de fin de vida (recicladores, reacondicionadores) ayuda a identificar barreras de diseño a la recuperación. Los fabricantes pueden compartir datos de producción para mejorar la reparabilidad, mientras que los proveedores de servicios pueden alimentar el uso y patrones de falla de la superficie[LT]

Gemelos y simulación digitales

Utilizando la tecnología digital para modelar los escenarios de ciclo de vida y de prueba de la circularidad sin prototipación física. Un gemelo digital puede simular diferentes secuencias desmontables, tasas de recuperación de materiales y costos de final de vida. También puede rastrear componentes individuales a través de su ciclo de vida, desencadenando alertas cuando el mantenimiento es debido o cuando una parte alcanza su fin de vida útil.

Programas de Logística Inversa y de Retoma

Establecer procesos para los productos de retorno al final de la vida. Esto incluye diseñar embalajes que pueden ser reutilizados múltiples veces, configurar puntos de recogida y asociarse con proveedores de logística inversa de terceros. Los ingenieros de sistemas deben especificar cómo se devolverá el sistema, se desmontará y se procesará. Para el equipo de capital grande, esto podría implicar servicios de descomunión in situ.

Innovación del modelo de negocio

El fabricante, que se adapta a los servicios (Product-as-a-Service). En un modelo PaaS, mantiene la propiedad del sistema, que alinea sus incentivos con la durabilidad y la circularidad. Los ingenieros deben diseñar sistemas que resistan ciclos de uso repetidos, son fáciles de mantener y pueden ser actualizados. También necesitan incorporar la telemetría para rastrear el uso y facturar adecuadamente.

Beneficios y desafíos

La adopción de principios de economía circular puede dar lugar a beneficios importantes, como la reducción del impacto ambiental, el ahorro de costos y la mejora de la innovación. Sin embargo, es preciso abordar desafíos como los costos iniciales de ejecución, la complejidad de la cadena de suministro y la necesidad de nuevos modelos de negocio para lograr plenamente esos beneficios.

Beneficios

El principal beneficio ambiental es la reducción de la extracción de material virgen y la generación de desechos. Los sistemas circulares consumen menos recursos y producen menos contaminación en su ciclo de vida. Económicamente, las empresas pueden reducir los costos materiales reutilizando componentes y vendiendo materiales recuperados. Los contratos de mantenimiento y servicio se convierten en nuevas corrientes de ingresos, y los productos diseñados para la longevidad construyen la lealtad del cliente. La innovación es estimulada por la necesidad de resolver los desafíos de la circularidad, lo que conduce a la ventaja competitiva.

Otra ventaja es la reducción del riesgo de cadena de suministro. Dependendo más de los materiales reciclados y las piezas remanufacturadas, una empresa se aísla de la volatilidad de precios de las materias primas y la escasez potencial. Esta resistencia es cada vez más importante a medida que la escasez de recursos se hace más pronunciada. Además, la circularidad se ajusta a las tendencias regulatorias, como las leyes de responsabilidad del productor ampliado, que exigen a los fabricantes para financiar la gestión del fin de la vida útil.

Desafíos

El principal obstáculo es la inversión inicial en rediseño, reorganización y establecimiento de redes logísticas inversas. El diseño circular puede requerir materiales más caros o procesos de fabricación inicialmente. La resistencia organizacional también puede ser importante: los equipos acostumbrados a modelos de negocios lineales pueden luchar por adoptar nuevas métricas y formas de trabajo. La complejidad de la cadena de suministro aumenta a medida que las empresas deben coordinar con recicladores, remodeladores y compradores de segunda vida.

Otro reto es la necesidad de estándares y certificación. Sin definiciones comunes de "reciclable" o "modular", las empresas pueden luchar para comunicar las reivindicaciones de circularidad creiblemente.El surgimiento de estándares como EN 45557 para la eficiencia material y el Indicador de economía regional] del Consejo Mundial de Negocios para el Desarrollo Sostenible ayuda a superar los esfuerzos de calidad.

Estudios de casos y aplicaciones en el mundo real

Varias organizaciones han integrado con éxito los principios de economía circular en sus procesos de ingeniería de sistemas, que ilustran las medidas prácticas y los resultados descritos anteriormente.

Remanufactura automotriz – Caterpillar

Caterpillar ha aceptado durante mucho tiempo la remanufactura de componentes de equipo pesado. Su proceso de ingeniería de sistemas incluye el diseño de ciclos de vida múltiples, con protocolos detallados de desmontaje y vías de recuperación de materiales. Motores, transmisiones y componentes hidráulicos son devueltos, desmontados, limpiados, inspeccionados y reconstruidos a condiciones similares. La empresa informa que la remanufactura utiliza 85% menos energía que producir nuevas piezas

Modularidad Electrónica – Fairphone

Fairphone, fabricante de smartphones holandeses, ha aplicado principios circulares diseñando un teléfono modular con componentes fácilmente reemplazables como la batería, pantalla y módulo de cámara. Su proceso de ingeniería de sistemas prioriza la reparabilidad y reciclabilidad. La empresa proporciona repuestos y guías de reparación, y tienen un programa de devolución que asegura que los teléfonos finales de la vida son correctamente desmontados y los materiales recuperados.

Maquinaria industrial – Philips Healthcare

Philips Healthcare ha implementado un modelo circular para sus escáneres de RM y otros equipos de imagen médica. En lugar de vender máquinas de forma directa, ofrecen contratos de "pay-per-use" o "levado rendimiento".Los ingenieros de sistemas diseñan las máquinas para la mejora: componentes de mayor calidad como imanes superconductores se hacen hasta los últimos 20 años, mientras que la electrónica y el software pueden ser actualizados.

Conclusión

Implementar principios de economía circular en procesos de ingeniería de sistemas es esencial para desarrollar sistemas sostenibles y resistentes. Al abrazar estos principios, ingenieros y organizaciones pueden contribuir a un planeta más saludable, fomentando la innovación y los beneficios económicos a largo plazo. El camino hacia adelante requiere un cambio deliberado en cómo se conciben, diseñarán y gestionarán los sistemas. Exige la colaboración entre disciplinas y cadenas de suministro, la inversión en nuevas herramientas como gemelos digitales y pasaportes materiales, y la voluntad de recursos para experimentar con consumo de negocios.

[LT] La dirección de la industria [LT] [FLT] [4] El protocolo de la industria es un elemento único para la gestión de los sistemas [4].