IMPREANDES 3D: UN PROTOTIPO DE RED PEER- TO-PEER DE …

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IMPREANDES 3D: UN PROTOTIPO DE RED PEER-TO-PEER DE NODOS DE FABRICACIÓN EN

MANUFACTURA ADITIVA

JULIÁN ALEJANDRO VILLA CORREA

TESIS PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE MAESTRÍA EN INGENIERÍA INDUSTRIAL

ASESOR Ph.D. SEPIDEH ABOLGHASEM GHAZVINI

CO-ASESOR

Ph.D. DARIO ERNESTO CORREAL TORRES

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL BOGOTÁ D.C., 2021

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RESUMEN La revolución industrial 4.0 (próximamente 5.0 con la ayuda de robots e IA) ha tenido

grandes avances en diferentes industrias debido a su versatilidad y alto nivel de automatización. Una de las tecnologías que más ha hecho posible este nivel de versatilidad es la manufactura aditiva, pues permite niveles de personalización que generan soluciones a la medida de las necesidades de cada industria. Adicionalmente, la tecnología de Blockchain ha permitido descentralizar los procesos y eliminar intermediarios, garantizando condiciones óptimas para transacciones seguras en términos monetarios, de trazabilidad y protección de propiedad intelectual. Aprovechando estas ventajas, se propone un estudio de aplicación de manufactura aditiva en un ámbito académico, como antesala a una aplicación industrial con sinnúmero de aplicaciones. Es aquí donde surge ImpreAndes 3D, una solución de Blockchain para prestar servicios de manufactura aditiva en la Universidad de los Andes, cuyas transacciones serán llevadas a cabo por una propuesta de moneda digital diseñada para la Universidad (llamada CNK). Dentro del documento se describen los principales detalles del estudio, su importancia, metodología, ejemplos, modelos de negocio y precisiones respecto del funcionamiento de la plataforma y la criptomoneda utilizada.

PALABRAS CLAVE Industria 4.0, Blockchain, red descentralizada, criptomonedas, impresión 3D, manufactura aditiva. ABSTRACT The industrial revolution 4.0 (soon to be 5.0 with the help of robots and AI) has had great advances in different industries due to its versatility and high level of automation. One of the technologies that has made this level of versatility possible is additive manufacturing, as it allows levels of customization that generate solutions tailored to the needs of each industry. Additionally, Blockchain technology has made it possible to decentralize processes and eliminate intermediaries, guaranteeing optimal conditions for secure transactions in terms of money, traceability and intellectual property protection. Taking advantage of these benefits, an additive manufacturing application study is proposed in an academic environment, as a prelude to an industrial application with countless applications. This is where ImpreAndes 3D arises, a Blockchain solution to provide additive manufacturing services at the Universidad de los Andes, whose transactions will be carried out by a proposed digital currency designed for the University (called CNK). The document describes the main details of the study, its importance, methodology, examples, business model and details regarding the operation of the platform and the cryptocurrency used. KEYWORDS Industry 4.0, Blockchain, decentralized network, cryptocurrencies, 3D printing, additive manufacturing.

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TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN 4

2. OBJETIVOS 6

2.1 GENERALES 6

2.2 ESPECÍFICOS 6

3. ESTADO DEL ARTE 6

3.1 SUPPLY CHAIN 6

3.2 INDUSTRIA 4.0 7

3.3 MANUFACTURA ADITIVA 8

3.4 BLOCKCHAIN 10

3.5 CRIPTOMONEDAS 11

4. CONTEXTUALIZACIÓN 12

5. METODOLOGÍA 14

5.1 PROPUESTA DE SOLUCIÓN 14

5.2 DEFINICIONES, FUNCIONES Y ALCANCES 14

5.3 EMISIÓN 15

5.4 VIGENCIA 16

5.5 TRANSACCIONES 16

5.6 PROCESO DE IMPRESIÓN POR MEDIO DE LA PLATAFORMA 16

5.7 TASACIÓN DEL PROYECTO 24

5.8 CONTRATO INTELIGENTES 25

5.9 CASO DE EJEMPLO 29

6. MODELO DE NEGOCIO IMPREANDES 3D 34

7. CNK 36

8. MODELO DE NEGOCIO CNK 37

9. ÉTICA 38

10. TRABAJO FUTURO 39

11. LIMITACIONES 40

12. CONCLUSIONES 41

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TABLA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1 - Progreso de la industria manufacturera ____________________________________________ 5 Ilustración 2 - Modelo SCOR ________________________________________________________________ 6 Ilustración 3 - IoT _________________________________________________________________________ 7 Ilustración 4 - Proceso de manufactura aditiva __________________________________________________ 8 Ilustración 5 - Estructura de datos Blockchain _________________________________________________ 10 Ilustración 6 - Diagrama de proceso de impresión ______________________________________________ 17 Ilustración 7 - Diagrama del proceso de contratos inteligentes ____________________________________ 25 Ilustración 8 - Contrato inteligente de cotización _______________________________________________ 26 Ilustración 9 - Contrato inteligente de separación del dinero ______________________________________ 26 Ilustración 10 - Contrato inteligente de generación de orden ______________________________________ 27 Ilustración 11 - Contrato inteligente de acreditación de fondos a fabricante _________________________ 27 Ilustración 12 - Contrato inteligente de reembolso a cliente ______________________________________ 28 Ilustración 13 - Customer Journey Map ImpreAndes 3D __________________________________________ 29 Ilustración 14 - Interfaz de usuario ImpreAndes 3D _____________________________________________ 30 Ilustración 15 - Interfaz de cuenta de usuario ImpreAndes 3D _____________________________________ 30 Ilustración 16 - Interfaz de catálogo ImpreAndes 3D ____________________________________________ 31 Ilustración 17 - Interfaz de opciones de impresión ImpreAndes 3D _________________________________ 31 Ilustración 18 - Interfaz de selección de fabricante ImpreAndes 3D _________________________________ 32 Ilustración 19 - Interfaz de confirmación de transacción ImpreAndes 3D ____________________________ 32 Ilustración 20 - Impresora 3D Ambiente Integrado de Aprendizaje (AIA) _____________________________ 33 Ilustración 21 - Ejemplo de impresión finalizada ________________________________________________ 33

TABLA DE TABULADOS Tabla 1 - Inventario de Impresoras 3D en la Universidad de los Andes ______________________________ 13 Tabla 2 - Funcionalidades de la plataforma en formato ECA ______________________________________ 24

1. INTRODUCCIÓN La industria manufacturera ha tenido un papel importante dentro del desarrollo de la humanidad y ha cambiado la forma como se fabrican bienes cada vez que se produce una revolución, buscando siempre una mejora en términos de eficiencia, minimización del impacto ambiental y aumento de productividad. Uno de los pasos mas importantes de la producción de un bien es el prototipado, pues permite probar un producto sin necesidad de generar una producción a escala. La manufactura aditiva promete pues, hacer que este proceso pueda realizarse de forma rápida y económica, facilitando las tareas de diseño de productos y piezas. Sin embargo, su funcionalidad no termina allí, dado que ofrece un espectro de materiales y versatilidad muy amplios, que le permite crear piezas para reparar bienes ya existentes sin necesidad de manufacturar piezas completas.

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Ilustración 1 - Progreso de la industria manufacturera

En este estudio se plantea la implementación de un servicio de manufactura aditiva embebida en una cadena de Blockchain. Su impacto radica, al menos en su primera versión, en resolver los problemas de auditoría, requerimiento de las impresiones y falta de control que aunque centralizado, se hará a través de las redes descentralizadas que ofrece el Blockchain; todo esto aplicado en los procesos de impresión 3D en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Los Andes. Dichos problemas de auditoria se resuelven mediante el uso de esta estructura de datos, primordialmente ya que puede rastrear o generar la trazabilidad de cualquier transacción, permitiendo verificar su consistencia y facilitando la consolidación de las mismas. En cuanto al requerimiento de impresiones, se tiene una ventaja en la verificación de las transacciones que se efectúen, que aplicado a este estudio, se refiere a verificar la validez de una cotización así como de una transacción monetaria particular. Si bien la implementación que se plantea en este estudio es a un nivel académico, es el preámbulo de una aplicación industrial que ofrece la posibilidad de extender su campo de acción mas allá de la manufactura aditiva exclusivamente. Existen casos de aplicaciones de manufactura aditiva en industrias muy variadas, con aplicaciones recientes más allá de la industria de manufactura en campos como comida, implantes biomédicos e incluso juguetes. (Al-Dulimi et al., 2020; León-Cabezas et al., 2017; Mantihal et al., 2020) Con la cuarta revolución de la industria, se espera adaptar sistemas existentes como la cadena de suministros (Borade & Bansod, 2007) a una transición digital donde se utilicen tecnologías como el Blockchain dentro de la manufactura aditiva. Con el uso de estas tecnologías disruptivas se espera tener un impacto en términos de protección de la propiedad intelectual, automatización, mejoras en procesos productivos y seguridad de la información (Ashima et al., 2021; Holland et al., 2017; Kurpjuweit et al., 2019). Para comprender mejor de que se trata la integración de todas estas tecnologías en la llamada industria 4.0, es menester entender cada uno de sus componentes por separado y cual es el estado del arte que se utiliza en cada uno de ellos.

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2. OBJETIVOS 2.1 GENERALES El objetivo general de este proyecto es desarrollar una red descentralizada de nodos de fabricación que permita la comunicación peer-to-peer de la impresión 3D a través de la tecnología Blockchain. Para ello, se plantean los siguientes objetivos específicos: 2.2 ESPECÍFICOS 1. Diseñar la arquitectura de la red de fabricación habilitada por Blockchain considerando cuestiones éticas

2. Identificar las necesidades de los diferentes tipos de actores de la red 3. Diseñar, desarrollar y validar los modelos de proceso que describen las relaciones existentes, las operaciones de transacción y la experiencia del usuario 4. Crear y definir una moneda digital, denominada CNK, para realizar las transacciones 5. Desarrollar una interfaz basada en la web que facilite la transacción entre pares para el proceso de impresión 3D.

3. ESTADO DEL ARTE 3.1 SUPPLY CHAIN La cadena de suministro describe el procedimiento que sigue la industria de los bienes desde que se comienza con la materia prima hasta el producto terminado, incluyendo la logística detrás de la distrubución de estos bienes. Todo ello se logra a partir de las siguientes etapas, definidas en el modelo Supply Chain Operations Reference (SCOR por sus siglas en inglés):

Ilustración 2 - Modelo SCOR

En su configuración de estado del arte, todo el proceso que se describe en la Ilustración 2 es asistido por las tecnologías de la información. Esto se conoce como la digitalización de la cadena de suministro y consiste en el traslado de la información o la creación de soluciones

Modelo SCOR

Prov

eedo

res Clientes

Plan

Suministro Fabricación Distribución

Devolución Devolución

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basadas en la nube para el manejo de la cadena. Se establece que con la ayuda de estas tecnologías se puede compartir información sincronizada entre los diferentes eslabones de la cadena, lo que tiene beneficios en disminución de tiempos de respuesta, identificación temprana de problemas y facilidad de auditoría dada la transparencia de los sistemas (Ashima et al., 2021; Borade & Bansod, 2007). 3.2 INDUSTRIA 4.0 La industria 4.0 es un término acuñado que describe la implementación de tecnologías digitales en las plantas productivas, creando ambientes de producción ciber físicos (Lee et al., 2019) que integran la interconectividad que ofrecen los servicios digitales con los procesos productivos tradicionales. Estas tecnologías se conocen con el nombre de IoT o Internet de las cosas por sus siglas en inglés y prometen una mejoría en la eficiencia dado que permiten la automatización de muchos procesos, la comunicación de las diferentes máquinas de una forma descentralizada y la disminución de la intervención humana requerida para seguir un proceso particular. Es importante mencionar a la tecnología 5G, actual estado del arte en término de redes de comunicación e insumo principal del internet de las cosas. El IoT consiste en cuatro capas que se pueden evidenciar en la Ilustración 3 son: Una de sensores y actuadores, una de redes que permiten la transferencia de información por medios cableados o inalámbricos, una capa de servicio que integra los diferentes servicios y aplicaciones dentro de la red y por último la interfaz que muestra la información al usuario y le permite controlarla de manera intuitiva (Ashima et al., 2021)

Ilustración 3 - IoT

La industria 4.0 ha conducido a revitalizar ciertos procesos productivos al converger tecnologías tanto tradicionales cómo las asistidas por tecnologías de la información. Las tecnologías que más se utilizan en ambientes productivos son :

1. Edge Computing: Es una red informática distribuida que permite procesamiento eficiente de datos y protección de la privacidad de la información

2. Tecnología implantable: Se refiere a tecnología insertada dentro del cuerpo humano que lo vuelve accesible a través de redes inalámbricas. Tiene gran alcance en configuraciones médicas pues permite monitorear las condiciones medicas de un paciente en tiempo real.

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3. Cadenas de suministro digitales: La digitalización de las cadenas de suministro ha migrado a los ambientes en la nube, incrementando la transparencia, tiempo de respuesta, velocidad y disminución de costos.

4. Blockchain-IoT: Se han integrado estas tecnologías como infraestructuras simples para la transferencia de información o dinero a través de redes privadas, que tienen una alta capacidad de prevención de fraude. Permite crear una cadena que sirve como registro de las transacciones, una de las primeras criptomonedas basadas en Blockchain es el Bitcoin, que promete revolucionar la forma en que se realizan transacciones de dinero ofreciendo seguridad total.

5. Inteligencia Artificial: Los algoritmos de Machine Learning y el uso de las redes neuronales tienen una gran variedad de aplicaciones industriales. Éstas tecnologías han introducido la posibilidad de interacciones cerebro-máquina con beneficios de interpretación de información, consistencia de datos y eficiencia en la industria médica, de materiales y manufacturera (Ashima et al., 2021).

3.3 MANUFACTURA ADITIVA La manufactura aditiva ha permitido realizar un prototipado de los productos de forma rápida y sencilla, lo que conduce a reducir el tiempo empleado y el desperdicio. Es una herramienta versátil pues permite utilizar diferentes materiales a la medida de las necesidades del producto. El proceso que sigue la manufactura aditiva se describe en la Ilustración 4(Rajaguru et al., 2020):

Ilustración 4 - Proceso de manufactura aditiva

1. Diseño asistido por computadora (CAD)

El primer paso del proceso se da al crear un modelo 3D computarizado de la pieza o producto que se desea imprimir con ayuda de software especializado (SolidWorks, Autocad, entre otros) con las medidas precisas que se desea tenga la pieza a imprimir. En su estado del arte, este procedimiento tiene pasos adicionales como el análisis virtual de los objetos (para simular y garantizar que tenga las características necesarias). Adicionalmente, el diseño asistido por computadora (CAD) no es la única forma de generar los modelos 3D, también se puede realizar por medio de ingeniería inversa y escáneres 3D.

2. Archivo STL Para poder realizar una impresión, es necesario generar una serie de instrucciones para que sean llevadas a cabo por la impresora 3D. Esto se logra a través de la creación de un archivo

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STL o lenguaje de triángulo estándar que describe la geometría de la superficie de cada una de las capas del modelo 3D por medio de coordenadas cartesianas tridimensionales.

3. Slicing Dado que la manufactura aditiva se procesa en capas, se debe proceder a generar dichas capas que son el instrumento para que la impresora 3D pueda finalmente hacer la pieza que se diseñó previamente. La cantidad de capas depende del grosor de la capa (parámetro variable) y entre más gruesa sea la capa, la definición del objeto y el tiempo de impresión es menor. En este paso del proceso, se añaden soportes según sea necesario para mantener la rigidez del objeto mientras se enfrían los compuestos de impresión. Además, se configuran parámetros como la densidad del relleno de la pieza, el patrón del relleno, velocidad de extrusión, diámetro de la boquilla, temperatura de la cama de impresión, material, diámetro del filamento, orientación de la pieza, etc. (Castellanos, 2020) Que responden a los requerimientos técnicos particulares de la pieza que se está imprimiendo y varían de acuerdo al objetivo final del modelo.

4. Generar un archivo .gx Finalmente, con ayuda del diseño de las capas, se procede a generar un archivo de instrucciones que le dará órdenes a la máquina de impresión sobre aquellos puntos cartesianos donde debe localizar material de acuerdo con la capa que se está imprimiendo. Este es el archivo que se carga a la impresora 3D y con el cual se genera el modelo diseñado previamente

5. Impresión y Alistamiento Una vez se termina la impresión, es pertinente revisar la calidad del acabado del producto, a fin de eliminar las asperezas de la pieza terminada, así como retirar los soportes en caso de haberlos utilizado. Una vez comprendido el procedimiento que se sigue, es importante mencionar las tecnologías existentes hasta el momento en cuanto a manufactura aditiva, estas son:

a. SLS o Sinterización selectiva por láser: Sinterización (fundición) de polvo por medio de láser.

b. EBM o Fusión por haz de electrones: Aplicación de material utilizando un haz de electrones dentro de una cámara de vacío.

c. DLMF/DLMS o Conformado/Sinterizado de metal por láser directo: Es una aplicación muy similar a la del SLS, pero se utiliza metal como material, lo cual permite una alta precisión.

d. SLA o Estereolitografía: Construcción de capas de resina utilizando láseres o proyectores de luz, el material empleado es resina fotosensible por lo que se requiere una cámara a prueba de luz.

e. PBP o Impresoras consolidadoras de polvo: Utilización de una boquilla para infiltrar polvo con líquido para solidificarlo.

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f. FDM o Modelización por deposición fundida: Utilización de una boquilla que deposita filamento de polímero fundido.

g. IJP o Impresión por chorro de tinta y elaboración de contornos: Deposición de resina líquida, debe ser curada con aire o luz UV para ser endurecida.

3.4 BLOCKCHAIN La tecnología de Blockchain es una estructura de datos que acopia información en conjuntos referenciados a bloques anteriores, a fin de garantizar la consistencia de dicha información. Con la utilización de técnicas de criptografía, se logra que solo se pueda modificar un bloque que ya se ha creado a partir de la modificación de todos los bloques posteriores. Las principales aplicaciones de estas tecnologías se han realizado en campos como: Almacenamiento de datos, transmisión de datos y confirmación o consensuación de información.

Ilustración 5 - Estructura de datos Blockchain

Utilizar esta estructura de datos presentada en la Ilustración 5, ofrece un listado de beneficios que se amplía a continuación:

1. Descentralización: Al consistir en una red de peer to peer (nodos), en la cual cada uno tiene la capacidad de almacenar todas las transacciones, todos los nodos poseen la misma información y el control de la misma no está a cargo de un tercero

2. Confiabilidad: Al ser descentralizada, la transferencia de información entre nodos no requiere de confianza entre los participantes. Los principios y protocolos de la red son netamente métodos matemáticos, que crean artificialmente esa confianza entre nodos

3. Transparencia: La red Blockchain tiene la ventaja de que garantiza la transparencia, pues existen múltiples copias de la información, haciendo que un cambio de la misma sea detectado por los nodos restantes.

4. Trazabilidad: La estructura de datos contiene marcas de tiempo para identificar y almacenar las transacciones, permitiendo que exista un orden dentro de las transacciones que hace mas fácil su trazabilidad y permite garantizar la originalidad de la transacción, ya que si se intenta modificar un bloque de información, se altera la marca de tiempo y subsecuentemente, se invalida.

5. Anonimato: El Blockchain encripta la información por medio de métodos asimétricos que garantizan no sólo la seguridad de la información. La transmisión de datos se hace por medio de una firma digital que permite identificar (anónimamente) quien genera dicha transmisión.

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6. Credibilidad: El intercambio de datos es dependiente de los nodos, pues cada uno debe realizar un cálculo poderoso que lo defiende contra los ataques externos sin necesidad de intervención humana.

Existe un lenguaje de programación implementado dentro de la cadena de bloques conocido como contratos inteligentes, un grupo de condiciones de ejecución ordenados por medio de lógica que digitaliza un contrato tradicional, garantizando el cumplimiento de las condiciones que se pactan. Es importante resaltar que estos contratos solo son ejecutados de acuerdo con las condiciones que se han parametrizado a priori, sin intervención humana que pueda alterar la integridad de los contratos y sus funciones (Lu, 2019). 3.5 CRIPTOMONEDAS Las criptomonedas, son una herramienta que permite realizar transacciones entre usuarios de la red, garantizando su anonimato, pero a la vez la seguridad de la transacción. Las criptomonedas están basadas en la tecnología Blockchain, algunas incorporan inteligencia de negocios a dichas transacciones. Actualmente, las principales monedas en términos de popularidad son:

1. Bitcoin 2. Ethereum 3. Ripple XRP 4. Litecoin 5. NEO 6. IOTA

La forma como operan las transacciones en estas monedas, radica en un sistema que utiliza llaves públicas y privadas que permiten verificar la identidad de los usuarios (aunque dentro del conglomerado de transacciones, permanecen anónimos). Para comprender a cabalidad el sistema de transacciones dentro de la red, es perentorio comprender la terminología:

• Así las cosas, un bloque es un conglomerado de transacciones nuevas que se quieren incorporar a la cadena y deben ser validadas por los nodos mineros (encargados de realizar las validaciones de los bloques de transacciones).

• La prueba de trabajo puede definirse como una forma criptográfica que, aunque no requiere de conocimientos, permite verificar que se consumió una cierta cantidad de recursos computacionales de forma asimétrica. Existen muchas formas de prueba de trabajo y su concepto básicamente se resume en realizar un trabajo exhaustivo en términos computacionales. Una vez terminado el proceso, no se puede cambiar el bloque sin rehacer el procedimiento y dada la estructura de cadena, deberán rehacerse los bloques posteriores, garantizando así la seguridad y consistencia de la información debido a la complejidad del proceso fraudulento.

• El término de hash puede entenderse como la identificación del bloque de transacciones que se crean y es lo que da origen a la estructura de cadena, pues los bloques posteriores dependen de los “hash” o identificadores de sus bloques previos (Nakamoto, 2008).

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Adicionalmente, se tiene una serie de pasos para que las transacciones ocurran dentro de las redes descentralizadas:

1. Las nuevas transacciones se transmiten a todos los nodos 2. Cada nodo convierte las nuevas transacciones a un bloque 3. Cada nodo trabaja encontrando la prueba de trabajo para el bloque creado en 2 4. Cuando un nodo encuentra su prueba de trabajo, envía su bloque a los demás nodos 5. Los nodos aceptan el bloque únicamente si todas las transacciones dentro de él son

válidas 6. Los nodos expresan su aceptación del bloque creando el siguiente bloque en la

cadena, utilizando el bloque creado como el hash anterior

Actualmente, existe una limitante de las criptomonedas para ser incorporada en su totalidad y radica en la elevada volatilidad del precio de las mismas, pues dentro de los mercados de las criptomonedas existe especulación y adicionalmente, ejemplificando con base al Bitcoin, no se conocen los “dueños” de las redes descentralizadas, lo que supone un riesgo en términos de la integridad de la cadena misma. Dentro de la moneda Bitcoin, se utiliza la llamada prueba de trabajo o proof of work, la cual es muy intensiva en términos de recursos computacionales. Sin embargo, existen otros métodos de consenso mas eficientes y menos complejos en términos de poder computacional, como lo es la prueba de de tiempo transcurrido o Proof of elapsed time (PoET) la cual consiste en que el creador de un bloque se elige a partir de una asignación de tiempos a los nodos, la cual, cuando el nodo con el menor tiempo ha terminado su espera, genera el bloque. En comparación con el método de prueba de trabajo, es mas eficiente (en términos de complejidad computacional, costos y consumo energético) utilizar la prueba de tiempo transcurrido o Proof of elapsed time (PoET) esta será la que se utilice dentro de ImpreAndes.

4. CONTEXTUALIZACIÓN Para comprender la solución, primero debemos investigar acerca del problema que se está resolviendo y el contexto donde se está realizando la implementación. Así las cosas, la Universidad de Los Andes tiene una infraestructura de impresoras 3D que se relaciona en la Tabla 1:

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DEPARTAMENTO EQUIPO Cantidad

Ingeniería Industrial MakerBot Replicator+ 1

Ingeniería Mecánica

XYS Printing da Vinci 1.0 3

MakerBot Replicator+ 1

Formlabs 1+ 1

DIMENSION 3D 1

Ingeniería Biomédica

Ultimaker 2+ 1

Ultimaker 3 1

Stratasys Object 30 Pro 1

Ingeniería Civil Replicator 1

EMTMA-CE 1

Ingeniería Química 3D PRINTER 1

Facultad de Ingeniería MakerBot Replicator+ 1

Arquitectura y Diseño

MakerBot Replicator Z18 1 MakerBot Replicator 2X 1

Form Lab Lab II 1 Cube Vector Nacional 1

Facultad de Ciencias

Bogohack I3B-LAB 1 Bogohack I3B 1

Protolab B9 Creator 1 Protolab GIGA 1

Total 22 Tabla 1 - Inventario de Impresoras 3D en la Universidad de los Andes

Actualmente, el proceso que se sigue para solicitar una impresión en estas máquinas no tiene un procedimiento estandarizado de cotización o de auditoría, razón por la cual el proceso resulta tedioso y burocrático pues están involucrados muchos actores administrativos. Es allí donde surge la oportunidad para proponer una solución digital que adicionalmente tiene el potencial de aplicarse a futuro en diferentes campos y a lo largo de los sistemas de la institución. Consiste en una plataforma web para solicitar la impresión de archivos 3D cuya arquitectura se desarrolló en Blockchain (a fin de aprovechar todas las ventajas que ofrece y discutiremos más adelante) y permite realizar transacciones por medio de una criptomoneda diseñada para la Universidad llamada CNK. El proyecto que se describe en este estudio, plantea una solución que inicialmente funcionará con la impresora que utiliza el Departamento de Ingeniería Industrial. El enfoque de este estudio pretende incorporar, al menos de momento, la impresora del Departamento de Ingeniería Industrial en la plataforma de ImpreAndes y teniendo como objetivo futuro incorporar todas las que posee la institución.

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No se puede dejar de lado una de las grandes motivaciones del proyecto, que yace en la pandemia global del COVID-19, pues planteó retos a los que antes no se había expuesto la humanidad en términos de las limitantes del contacto físico y la interacción entre humanos, problema que promete solucionar el uso del Blockchain como garante de transparencia en las transacciones (eliminando los procesos burocráticos) y de la automatización que ofrecen tecnologías como la manufactura aditiva (eliminando en gran medida la necesidad de interacción entre las personas). Todo esto, tiene un potencial a futuro y es que se plantea la posibilidad de utilizar el servicio desde cualquier parte del mundo e introducirlo a la cadena de suministro, dado que es un servicio descentralizado y que ofrece seguridad entre transacciones de dos partes que no confían entre sí.

5. METODOLOGÍA 5.1 PROPUESTA DE SOLUCIÓN ImpreAndes surge como respuesta a la necesidad de eliminar los procesos burocráticos que caracterizan el proceso de impresión 3D o manufactura aditiva en la Universidad de los Andes, por tal razón, deberá eliminar y automatizar los procedimientos a la vez que garantizar la seguridad y consistencia en las transacciones óptima con fines de auditoría. ImpreAndes 3D es una plataforma que ofrece el servicio de impresión 3D a los estudiantes de la facultad de Ingeniería de la Universidad de los Andes por medio de un aplicativo web que funciona mediante JavaScript y utiliza Blockchain dentro de sus funciones principales, las cuales se discutirán en su momento. 5.2 DEFINICIONES, FUNCIONES Y ALCANCES Las funcionalidades de la plataforma se plantean en un formato ECA (Evento, Condición y Acción) que se puede encontrar más adelante junto con las maquetaciones realizadas del proyecto. Dichas funcionalidades se mencionan junto con sus relaciones de usuario y pueden ser consultados a detalle en la sección correspondiente.

• Usuario: Es aquella persona quien, en su calidad de estudiante, profesor, asistente, etc. Haga uso de la plataforma ImpreAndes, previa inscripción, asignación de monedero virtual y aprobación de presupuesto por parte del departamento competente, para todos los efectos de impresión 3D necesarios en los desarrollos de los proyectos. Este actor podrá hacer las cotizaciones que requiera, proceder con las transacciones (sí se cumplen los requisitos para una 5.5 TRANSACCIONES), revisar el estado de sus proyectos y reclamar sobre ellos en caso de que así lo requiriere.

• Departamento: Es la entidad competente (de acuerdo con el departamento al que

pertenece el usuario) encargada de autorizar los presupuestos a los estudiantes, de acuerdo con el procedimiento establecido por la Universidad. Lleva el control de los presupuestos correspondientes al gasto en impresión 3D, insumo para la creación de las criptomonedas que estarán en circulación en el semestre académico vigente (ver Moneda).

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• Fabricante: Es aquella entidad que al igual que los usuarios posee una dirección o

billetera virtual para recibir sus pagos, adicionalmente es la entidad que se encarga de ingresar y actualizar los parámetros necesarios para el funcionamiento de la plataforma. Estos incluyen la cantidad de material disponible por tipo y color, las tarifas del servicio, la disponibilidad o agenda de las impresiones que se tienen en curso, las especificaciones de las máquinas incluyendo nuevas máquinas adquiridas o eliminando máquinas según sea el caso. Una vez recibe una solicitud de un Usuario debe realizar la impresión solicitada, ya que el pago será acreditado a la billetera del Fabricante únicamente cuando se confirme la impresión y el usuario esté satisfecho con la misma.

• Administrador: Es aquel que tiene la potestad de realizar la emisión de la criptomoneda o CNK de acuerdo con lo estipulado en la definición de esta, se encarga de deshabilitar las monedas y garantizar que se encuentren en circulación exclusivamente las monedas necesarias. Es además quién debe realizar los procedimientos de carga de criptomonedas a los Usuarios previa aprobación del departamento competente.

• Criptomoneda o CNK: La criptomoneda de la Universidad de los Andes será creada, por el momento, única y exclusivamente para ser utilizada dentro del proyecto enmarcado en ImpreAndes3D, sus precisiones técnicas serán profundizadas más adelante. Tendrá las siguientes características, modificables de acuerdo con los requerimientos funcionales posteriores de la misma:

5.3 EMISIÓN

La emisión de la moneda estará a cargo del ADMINISTRADOR, quién tendrá la potestad de emitir y recoger las monedas de acuerdo con los lineamientos que se expondrán a continuación.

1. Para la emisión de las monedas, se tendrá un recopilado de los presupuestos

semestrales de los departamentos participantes (exclusivamente para el uso de las impresoras 3D en los proyectos académicos de estudiantes) sobre el cual se hará la emisión de exactamente el valor disponible en términos monetarios equivalentes para ser utilizado dentro de la plataforma ImpreAndes3D

2. Cada CNK o unidad de valor monetario digital, corresponde a un crédito equivalente al monto de $1.000 pesos colombianos, moneda corriente. Esto con el fin de eliminar la volatilidad del cambio, problema de las criptomonedas de distribución masiva.

3. Una vez se termine el semestre académico (ver VIGENCIA), el administrador debe destruir las monedas que estén en poder de los estudiantes y permitir generar los cruces de cuentas entre departamentos para realizar las respectivas cancelaciones.

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5.4 VIGENCIA 1. La vigencia de los créditos emitidos es de un semestre académico, y solamente

durante este tiempo el estudiante podrá disponer de las unidades monetarias digitales para ser gastadas.

2. Después de terminado el tiempo de vigencia de las monedas, pasarán nuevamente al administrador quien las deshabilitará hasta la nueva emisión semestral.

5.5 TRANSACCIONES

La transacción es el procedimiento mediante el cual el Usuario hace un pago al Fabricante por un servicio de impresión 3D. Esta transacción se realiza por medio de un contrato inteligente (Blockchain) y el procedimiento que sigue es como reza a continuación: Se evalúa la existencia de fondos suficientes por parte del usuario para el pago específico al Fabricante, si se cumple esta condición, se procede a descontar el saldo de la billetera virtual del usuario y es retenido por el Blockchain hasta que se completa el proceso de impresión y ésta es recibida a satisfacción por el usuario. Las transacciones están sujetas a las condiciones que se describen a continuación:

1. Para los pagos en transacciones de un estudiante que pertenezca al mismo departamento en el cual se utiliza el servicio de impresión, se hará el descuento al presupuesto que tiene asignado dicho estudiante al final del semestre

2. Para los pagos en transacciones de un estudiante que no pertenezca al departamento en el cual realiza la transacción, se hará el respectivo cruce de cuentas a final del semestre, sustrayendo las cantidades correspondientes a pagar al otro departamento del presupuesto asignado inicialmente.

3. No podrán existir transacciones diferentes a las mencionadas a continuación: a. Pagos Estudiante-Fabricante: donde el estudiante podrá utilizar la

moneda digital para hacer el pago de sus obligaciones cada vez que utilice el servicio de impresión 3D.

b. Asignación de presupuesto Administrador-Estudiante: donde el administrador, previa aprobación del departamento competente, podrá asignar el valor monetario autorizado al estudiante para efectuar sus transacciones, únicamente asociadas con los proyectos de impresión 3D.

5.6 PROCESO DE IMPRESIÓN POR MEDIO DE LA PLATAFORMA El proceso de impresión, que se detalla en la Ilustración 6, comienza con el ingreso por parte de los estudiantes de la facultad (por medio de su correo institucional), momento en el que se hacen acreedores a una dirección o billetera virtual en la cual podrán obtener los fondos asignados (1).

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Ilustración 6 - Diagrama de proceso de impresión

Posteriormente pueden seleccionar un archivo del catálogo de impresión. Allí el usuario procederá a incluir las especificaciones técnicas de impresión (de acuerdo con el nivel de experticia y conocimiento que maneje) y una vez terminada la personalización se solicita la cotización a la plataforma (2). La cotización es un proceso que se realiza mediante un Smart Contract y permite establecer un match entre los posibles fabricantes que cumplan con los requisitos de la impresión que se pretende realizar y la plataforma envía las tarifas de impresión al usuario (3). En caso de desear continuar, el usuario procede a seleccionar uno de los fabricantes disponibles y realizar la transacción (4), una vez se debita el pago de la cuenta del usuario y se aprueban las verificaciones (5) se genera la orden de trabajo al fabricante (6) el cual procede a generar la impresión y hacer el alistamiento correspondiente de la parte (7) y notifica a la plataforma de la terminación de la impresión (8). La plataforma avisa al usuario que puede retirar su impresión (9), previa aprobación de satisfacción por parte de este (10). Una vez el usuario hace manifiesto de la recepción de la pieza a satisfacción, se acredita la cuenta del fabricante con el monto estipulado y previamente retenido por la plataforma (11). En caso de que exista un reclamo por parte del usuario, el pago se retiene de forma indeterminada hasta que se resuelve el reclamo. Adicionalmente la especificidad del proceso, así como el manejo de excepciones se hace por medio del formato de Eventos, Condiciones y Acciones se muestra en la Tabla 2:

18

Página actual Evento Condición Acción SI Acción NO

Página inicio

El usuario ingresó a la plataforma

IMPREANDES 3D

¿Se procesa la solicitud

(servidor)?

Mostrar página de inicio

Mostrar error 404

Página inicio

El usuario presionó el botón de

comenzar en la página de inicio

¿Está logueado? Mostrar

Dashboard de usuario

Mostrar ventana de

login

Página inicio

El usuario no está logueado y

se mostró la página de login

¿Tiene una cuenta?

Requerir credenciales de

ingreso

Requerir información

para registrar

Página inicio

El usuario ingresó sus

credenciales y presionó el

botón de entrar

¿Las credenciales son válidas?

Ingresar al usuario y mostrar la página de

Dashboard

Notificar sobre credenciales

inválidas

Página de registro

El usuario ingresó su

información y presionó el

botón registrarse

¿Los campos están completos (En especial por

ahora tener cuenta

@uniandes.edu.co)?

Proceder con el registro y enviar

correo de confirmación

Informar campos

faltantes o falta de cuenta

@uniandes

Correo uniandes

El usuario verificó la

creación de la cuenta desde su correo uniandes

¿La cuenta es válida?


Dashboard

Informar acerca del

error

Dashboard El usuario solicitó una cotización


(servidor)?

Mostrar página de carga de archivo

Mostrar error 404

Página cargar archivo


seleccionar archivo


(servidor)?

Mostrar seleccionador del

catálogo

Mostrar error 404


El usuario cargó un archivo

¿El archivo se cargó

correctamente?

Mostrar en la interfaz

confirmación de carga

Notificar al usuario

19


El usuario presionó el botón para

continuar con la cotización

¿El archivo es válido (El archivo se puede leer y

no es corrupto)?

Continuar con el proceso (esperar

evento continuación)




continuar con la cotización


(servidor)?

Mostrar ventana de

configuraciones

Mostrar error 404

Página configuracion

es

El usuario diligenció las

configuraciones y presionó el

botón de continuar

¿Las configuraciones

son válidas?

Comenzar el SC de cotización


Back-End

El SC intentó acceder a la lista

de máquinas disponibles en la

plataforma

¿Pudo acceder a la información?

Almacenar la lista de impresoras

disponibles Notificar error

Back-End

El SC obtuvo las especificaciones (dimensiones, material req,

tiempo req.) del archivo a cotizar


Almacenar información del archivo a cotizar

Notificar error

Back-End

El SC comparó las

especificaciones del archivo con

las de las impresoras disponibles

¿La impresora es compatible?

Almacenar en lista de candidatas

Excluir máquina de la

cotización

Back-End y Cotización

El SC obtuvo las tarifas de las

máquinas de la lista de

candidatas


Mostrar al usuario cotizaciones

basadas en tarifas x máquina

Notificar error

Página cotización

El usuario seleccionó un

fabricante para continuar con la

transacción

¿La cotización sigue vigente

(tarifas, disponibilidad)?

Solicitar aprobación del usuario para la

transacción

Notificar invalidez y dar

opción de generar nueva

cotización

20

Mensaje de confirmación

El usuario aprobó la

transacción

¿Los requisitos para tranzar son válidos (Fondos y

autorización)?

Comenzar el SC de transacción


Back-End

El SC accedió a la información de

la cuenta del usuario y fabricante

¿La información es correcta? Continuar Notificar error

Back-End

El SC descontó los fondos de la

cuenta del usuario y los

deshabilitó (CNK) temporalmente

¿Los fondos pudieron ser descontados?

Generar orden a fabricante Notificar error

Back-End

El SC recibió confirmación de

recepción de pieza (Código)

¿Se confirmó recepción a

satisfacción?

Habilitar (CNK) al fabricante y

desembolsar el pago

Generar reclamo

Back-End

El SC recibió una solicitud de

devolución de pago (fabricante

o usuario)

¿Es posible hacer la devolución (procedente)?

Realizar devolución del

pago Notificar error

Notificación

El usuario fué notificado para inspeccionar la

impresión terminada

¿Está satisfecho (confirmar en

app web)?

Se envía confirmación de

recepción a satisfacción a SC

Generar reclamo

Dashboard y otros

El usuario presionó el botón para generar un

reclamo

¿Existe algún proyecto en

proceso?

Generar reclamo (caja de texto a

usuario) y enviar a fabricante

N/A

Mis reclamos

El usuario presionó el

botón de "Añadir +"

N/A

Mostrar formulario para

generar reclamo y enviar a fabricante

N/A

Dashboard


botón de "Mis proyectos"

¿Existe algún proyecto en

proceso?

Mostrar el listado de procesos y su

estado (Mis proyectos)

Mostrar la interfaz vacía

(Mis proyectos)

Mis proyectos El usuario presionó el N/A Llevar a página de

carga de archivo N/A

21

botón de "Añadir +"

Mis proyectos


botón cancelar para uno de sus

proyectos

¿El fabricante ya comenzó con la

impresión?

Sólo se muestra el botón de cancelar cuando es posible

realizarlo

Se devuelve el pago al usuario

Dashboard


botón de "Mi cuenta"


(servidor)?

Mostrar interfaz de "Mi cuenta",

balance y dirección (billetera)

Mostrar error 404

Cualquier página


botón de cerrar sesión

El botón de cerrar sesión solo aparece

cuando hay una iniciada

Cerrar sesión N/A

Página login fabricante

El fabricante ingresó a la plataforma

IMPREANDES 3D - fabricante


(servidor)?

Mostrar página de inicio

Mostrar error 404


El fabricante no está logueado y

se mostró la página de login

¿Tiene una cuenta?

Requerir credenciales de

ingreso

Requerir información

para registrar


El fabricante ingresó sus

credenciales y presionó el

botón de entrar

¿Las credenciales son válidas?


Dashboard

Notificar sobre credenciales

inválidas


El fabricante ingresó su

información y presionó el

botón registrarse

¿Los campos están completos (En especial por

ahora tener cuenta

@uniandes.edu.co)?

Proceder con el registro y enviar

solicitud al administrador

Informar campos

faltantes o falta de cuenta

@uniandes

Back-End

El administrador verificó la

creación de la cuenta

¿La cuenta es válida?

Notificar al usuario de la habilitación

Informar acerca del

error

22

Dashboard fabricante

El fabricante presionó el

botón de "Mis máquinas"


(servidor)?

Mostrar la interfaz con las máquinas

que se tienen registradas

Mostrar error 404

Mis Máquinas

El fabricante presionó el botón de "Editar"

¿Añade (SI) o elimina (NO) una

máquina?

Generar formulario de

inscripción de la máquina

(especificaciones)

Seleccionar máquina a ser

eliminada

Mis Máquinas

El fabricante presionó el botón de

"Actualizar información"


(servidor)?

Para cada máquina

registrada se pueden modificar

los campos de material y agenda

disponible

Mostrar error 404



"Reclamos"


(servidor)?

Accede a una interfaz donde, de existir reclamos,

se listarán en orden de creación

Mostrar error 404

Reclamos fabricante

El fabricante presionó alguno de los reclamos

del listado

¿Está resuelto? Mostrar historia del reclamo

Generar caja de texto para

contestar reclamo a

usuario con la solución


El fabricante presionó el botón "Mis órdenes"

¿Existen órdenes pendientes?

Mostrar órdenes pendientes y

fechas de entrega

Mostrar mensaje "No

existen órdenes

pendientes"

Mis órdenes fabricante

El fabricante seleccionó una orden para ser

ejecutada

¿Se cumplen los requisitos de la

orden (disponibilidad

tiempo, materiales y

archivo correcto)?

Generar petición a impresora para comenzar con el

proceso

Rechazar orden y generar

proceso de devolución

Mis órdenes fabricante

El fabricante seleccionó una orden para ser

rechazada


(servidor)?

Rechazar orden y generar proceso

de devolución

Mostrar error 404

23

(incluye imposibilidad de

generar impresión)


El fabricante presionó el

botón de "Mi cuenta"


(servidor)?

Mostrar interfaz , balance de la

cuenta, pagos en consignación (retenidos) y dirección de

billetera

Mostrar error 404



"Transacciones realizadas"


(servidor)?

Mostrar las transacciones realizadas con este fabricante (poder generar cobro a dpto.)

Mostrar error 404


El administrador ingresó a la plataforma

IMPREANDES 3D - fabricante con sus credenciales

¿Credenciales de administrador

válidas?

Mostrar dashboard de administrador

Notificar error

Página fabricantes

El administrador presionó el

botón "Solicitudes de

fabricantes"


(servidor)?

Se muestran las solicitudes de

nuevos fabricantes

Mostrar error 404

Página manejo de usuarios

El administrador revisó la solicitud de un fabricante

¿Decide aceptarla?

Es añadido a la plataforma, se

envía sus credenciales de

ingreso

Se devuelve la solicitud junto con el motivo

Página manejar CNK

Se terminó la vigencia de las

monedas

¿Existen transacciones pendientes?

Esperar a terminar las transacciones

pendientes

Deshabilitar el uso de las

monedas para hacer

transacciones


Un usuario se retiró de la Universidad

¿Tenía saldo en su cuenta?

Eliminar usuario y acreditar saldo en la cuenta del dpto. al que pertenecía

Eliminar usuario

24


El administrador detectó actividad

fraudulenta en una cuenta


(servidor)?

Congelar cuenta y rastrear

transacciones

Mostrar error 404


Un fabricante generó un cobro

irregular

¿La transacción es irregular?

Generar investigación

interna y resolver de acuerdo con

resultados

Continuar la transacción


El administrador habilitó

nuevamente una cuenta

¿La cuenta tenía fondos?

Habilitar fondos y notificar por

correo a usuario

Notificar habilitación por correo a

usuario


El administrador recibió una

solicitud de un departamento

para añadir fondos a un

usuario

¿La solicitud es válida

(Presupuesto suficiente del

dpto.)?

Acreditar cuenta del usuario sobre el que se realiza la

solicitud

Devolver solicitud al

dpto. para las correcciones

de su competencia

Página cruce de cuentas

El administrador presionó el botón de

"Generar cruce de cuentas"

¿Existen transacciones pendientes?

Esperar a terminar las transacciones

pendientes

Generar cruce de cuentas y facturas para

cada departamento

Página fabricantes

Un fabricante solicitó ser

removido de la plataforma

¿Tenía saldo en su cuenta?

Acreditar saldo a los cruces de

cuentas, eliminar cuenta y notificar

Eliminar cuenta y

actualizar base de datos de fabricantes

Tabla 2 - Funcionalidades de la plataforma en formato ECA

5.7 TASACIÓN DEL PROYECTO Los proyectos de impresión 3D pueden ser costosos principalmente partiendo de algunas pequeñas especificaciones técnicas, estas incluyen: El tipo de material, la cantidad de material necesario y la complejidad de impresión de la pieza (en este caso la podemos tasar de acuerdo con el tiempo que le toma a la impresora realizar la pieza). Así la cosas, se pretende tasar los proyectos de impresión de la plataforma a partir de una estimación de tiempo y cantidad de material necesarios para realizar una impresión particular y asignando un costo a cada gramo de material necesario y a cada minuto de impresión. Inicialemente se parte de un catálogo preestablecido de piezas que a futuro será expandido e incluirá la funcionalidad de cargar piezas propias.

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5.8 CONTRATO INTELIGENTES Para el funcionamiento de las cotizaciones y transacciones, producto del uso de la plataforma de ImpreAndes se sigue el flujo de proceso, compuesto por contratos inteligentes, que se muestra en la Ilustración 7:

Ilustración 7 - Diagrama del proceso de contratos inteligentes

Primero, se tiene el contrato de cotización (Ilustración 8) cuya función es guardar los datos de una cotización, con el objetivo de generar la persistencia de las cotizaciones que se han generado. Es el responsable de revisar las especificaciones de un proyecto cotizado en el aplicativo, de acuerdo con la disponibilidad de los fabricantes (máquinas en particular). En caso de tener fabricantes candidatos, se procede a acceder a las tarifas de dichos fabricantes según la máquina en particular para retornar una cotización para el cliente, así como una estimación del tiempo de entrega que se tiene para la pieza que se está analizando. Este procedimiento se realiza así: Una vez se recibe el plano o archivo .stl, se procede a la extracción de algunos de los parámetros del proyecto: Las dimensiones, cantidad de material necesario y tiempo estimado de impresión. Esto será verificado para cada una de las máquinas inscritas en la plataforma, primero analizando si dadas las dimensiones del proyecto es factible utilizar la impresora, posteriormente revisando si dado el tiempo de impresión estimado existe un espacio factible en la agenda del fabricante para realizar la impresión y por último analizando si se tiene el material suficiente para realizar la impresión. Finalmente, se retorna la lista de los candidatos aptos junto con las tarifas ajustadas al proyecto de análisis.

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Ilustración 8 - Contrato inteligente de cotización

Durante el proceso de transacción también requiere de la intervención del Blockchain, pues además del contrato presentado anteriormente, requiere de transacciones con CNK. El contrato (Ilustración 9) comienza verificando, previa aprobación del usuario, que los fondos de su cuenta sean suficientes para la transacción. Una vez se comprueban los requerimientos de la transacción, se procede a la creación del bloque, el cual incluye la información de la transacción (tanto del usuario como fabricante) para efectos de auditoría, además del archivo .stl el cual estará encriptado y solo podrá ser utilizado por el fabricante para la impresión del archivo y deberá ser eliminado de su base de datos en concordancia con la política de propiedad intelectual. Posteriormente, se procede a descontar los fondos de la cuenta del usuario para ser retenidos hasta la finalización de la transacción entre las partes. Esto se hace por medio de otro contrato inteligente, cuyo diagrama de proceso se muestra a continuación:

Ilustración 9 - Contrato inteligente de separación del dinero

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Continuando con el proceso que sigue, se debe generar una orden de impresión al fabricante (Ilustración 10), a fin de que conozca los detalles de la misma y el archivo que se pretende imprimir mediante manufactura aditiva, tal como se muestra, continuando el diagrama mostrado anteriormente:

Ilustración 10 - Contrato inteligente de generación de orden

Una vez se finaliza la impresión por parte del fabricante, se notifica a la plataforma y la plataforma indica al usuario que la impresión ha sido terminada y que debe ir a recibirla y confirmar su recepción a satisfacción, tal como se muestra en la Ilustración 11:

Ilustración 11 - Contrato inteligente de acreditación de fondos a fabricante

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En todo caso, se debe tener en cuenta que la pieza puede no ser recibida a satisfacción por parte del usuario y esto implica un nuevo contrato que informa a la plataforma del inicio de un proceso de reclamación, en el cual el usuario realiza su reclamo y es revisado y contestado por parte de los fabricantes a fin de terminar la transacción. Este procedimiento se describe en la Ilustración 12:

Ilustración 12 - Contrato inteligente de reembolso a cliente

Existe un último caso a contemplar, que implica la utilización de un quinto contrato inteligente y es aquel que maneja el procedimiento asociado al evento en que el fabricante, después de haber recibido una orden de impresión, no pueda generar la impresión requerida y deba anular la transacción, so pena de la devolución de los montos descontados previamente al usuario originario, esto se describe en un flujo de proceso como sigue:

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5.9 CASO DE EJEMPLO Para comprender mejor el proceso que sigue un usuario al utilizar el servicio de impresión en ImpreAndes 3D se diseña un Customer Journey Map (Ilustración 13).

Ilustración 13 - Customer Journey Map ImpreAndes 3D

Primero, el usuario debe ingresar a la plataforma con sus credenciales de la Universidad (1) donde la interfaz (Ilustración 14) le permite seleccionar la opción de “Mi cuenta”, allí (Ilustración 15) podrá consultar el balance de su saldo en CNK. De ser necesario, es presentado con la opción de “Solicitar fondos” donde podrá diligenciar la solicitud correspondiente (2).

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Ilustración 14 - Interfaz de usuario ImpreAndes 3D

Ilustración 15 - Interfaz de cuenta de usuario ImpreAndes 3D

Una vez que el usuario se cerciora de poseer fondos suficientes, puede proceder a la creación de una orden, donde será presentado con un catálogo de piezas (Ilustración 16). Después de escoger una pieza, podrá modificar algunos parámetros de la impresión (3) como por ejemplo el material, entramado, entre otros que se pueden detallar en la Ilustración 17:

31

Ilustración 16 - Interfaz de catálogo ImpreAndes 3D

Ilustración 17 - Interfaz de opciones de impresión ImpreAndes 3D

Para efectos del ejemplo, el usuario habrá escogido un diseño de la cabra Séneca junto con el logo de la Universidad y ajustó las especificaciones de impresión de acuerdo con sus necesidades, en la interfaz de modificación de especificaciones de impresión, el usuario es presentado con la opción de solicitar una cotización de la pieza previamente elegida (4). En este punto del proceso, se presenta una gama de cotizaciones al usuario con las diferentes opciones de fabricantes que pueden tomar la orden particular (Ilustración 18), de forma paralela (y oculta al usuario), ocurre un procedimiento interno en el sistema donde se almacena la cotización, sus detalles y los valores para verificar la validez de la misma (5).

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Ilustración 18 - Interfaz de selección de fabricante ImpreAndes 3D

Después de ser presentado con las opciones de impresoras, el usuario elige la que se ajuste a sus necesidades presupuestales, así como tomando en cuenta la calificación de la misma. Una vez el usuario toma la decisión, procede a confirmar la transacción (6). Dentro del sistema, la plataforma procede a realizar las verificaciones (validez de la cotización, suficiencia de fondos, validez de firma, entre otros) a lugar para ejecutar dicha transacción, descuenta y retiene los fondos y genera la orden de impresión al fabricante elegido previamente (7).

Ilustración 19 - Interfaz de confirmación de transacción ImpreAndes 3D

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Por otro lado, en la interfaz del fabricante la nueva orden de trabajo generada es presentada en su apartado correspondiente (8), donde tiene la posibilidad de editar el estado de una orden y acceder al archivo .stl para proceder con la impresión, como se puede apreciar en la Ilustración 20:

Ilustración 20 - Impresora 3D Ambiente Integrado de Aprendizaje (AIA)

Una vez se termina el proceso de impresión y se hacen los alistamientos necesarios a la pieza, se notifica, por medio de la plataforma al usuario que ya está lista y puede retirarla (9). En la Ilustración 21, se puede ver cómo se ve la pieza al momento de ser retirada de la máquina y el producto terminado, luego de los alistamientos pertinentes

Ilustración 21 - Ejemplo de impresión finalizada

En el momento que el usuario va a retirar la pieza, puede inspeccionarla para cerciorarse de que cumple con sus necesidades estipuladas. En este punto, puede ocurrir que el usuario no esté satisfecho con algún detalle de la impresión (calidad, acabados, especificaciones, entre

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otros). En este caso, el usuario procede a generar un reclamo (10) por medio de la plataforma donde especifica las razones de su insatisfacción y el fabricante procede a gestionar dicho reclamo, el cual tiene dos posibles resultados: 1. Que, dadas las características, fallos o imperfecciones de la pieza se deba realizar un reembolso al usuario, lo cual puede hacer el fabricante, so pena de no recibir su compensación (11) o 2. Que se logre concretar una solución o corrección a la pieza objetivo para satisfacer las necesidades del usuario, en cuyo caso se sigue el mismo procedimiento que cuando no hubiere reclamo. En caso de no existir ninguna reclamación o que se hayan solucionado las reclamaciones presentadas, se procede a confirmar por parte del usuario la finalización de la transacción, momento en el cual la plataforma acredita la cuenta del fabricante con el monto acordado previamente (12).

6. MODELO DE NEGOCIO IMPREANDES 3D ImpreAndes 3D tiene el potencial de convertirse en un negocio a futuro, aún cuando sus bases fueran fundadas en los ámbitos académicos inicialmente. A continuación, se ejemplifica el modelo de negocio de la plataforma de acuerdo con el modelo Canva (Sánchez, 2011):

• Socios Clave: Dentro de ImpreAndes 3D como una plataforma cerrada a la Universidad de los Andes se tienen como principales socios clave:

o La Facultad de Ingeniería o Departamentos interesados en utilizar tecnologías de manufactura aditiva o Fabricantes (Laboratorios de impresoras 3D) o Administrador de la moneda CNK

Sin embargo, a futuro se contempla que con el uso extendido de la plataforma ingresen nuevos socios claves tales como fabricantes externos, facultades de otras universidades y clientes tanto académicos como corporativos e industriales interesados en utilizar la tecnología de manufactura aditiva por medio de redes peer to peer.

• Actividades clave: Las principales actividades que describen el funcionamiento de la plataforma de ImpreAndes 3D son:

o Generar cotizaciones sobre planos 3D o Imprimir piezas solicitadas por usuarios o Realizar transacciones entre fabricantes-estudiantes-administradores o Procesar reclamos sobre las impresiones que se realicen por medio de la

plataforma

A futuro, no se descarta incluir actividades adicionales, principalmente relacionadas con otro tipo de tecnologías de manufactura que permitan implementar el sistema de redes peer to peer, por ejemplo, corte CNC.

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• Recursos clave: Los recursos clave que permiten operar el negocio de acuerdo con

las actividades establecidas anteriormente:

o Clientes o usuarios o Impresoras 3D (u otro tipo de máquinas en el futuro) o Operarios de las maquinarias (inicialmente impresoras 3D) o Fabricantes o Personal de atención al cliente o Administrador(es) de la criptomoneda

Al igual que en acápites anteriores, se contempla la posibilidad de modificar los recursos claves a medida que se expanda el uso de la plataforma.

• Relaciones con clientes: La relación con los clientes se dará primordialmente por medios virtuales. Sin embargo, existirá una alternativa física a la cual se podrá asistir en caso que el trámite a llevar a cabo no pueda lograrse por medios virtuales o sea imposible para los actores hacerlo. En el futuro se espera digitalizar por completo la relación con los clientes dado que una de las premisas del proyecto es automatizar los procesos y la configuración digital lo favorece.

• Propuesta de valor: Radica en permitir el acceso a tecnologías de manufactura aditiva (inicialmente dentro de la Universidad) así como las transacciones en las que se incurre en estos procesos, eliminando la necesidad de papel moneda y de procedimientos burocráticos que entorpecen la eficiencia del proceso para dar accesibilidad a los usuarios. Aplicar esta metodología tiene beneficios en trazabilidad y auditoría al momento de generar los cruces de cuenta pertinentes, garantizando la seguridad tanto de las transacciones como de la propiedad intelectual y la información.

• Canales: Los principales canales que se tendrán a disposición de los usuarios son:

o La página web de ImpreAndes 3D o Aplicativo móvil (A futuro) o Oficina de ImpreAndes o Laboratorios de impresión o Correo institucional

• Segmentos de cliente: Están divididos de acuerdo al alcance del proyecto, en su forma

incipiente se espera tener la siguiente segmentación:

o Estudiantes de la Universidad o Profesores de la Universidad o Personal de laboratorio (Impresoras 3D)

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Sin embargo, no se descarta tener nuevos segmentos a futuro con la inclusión de nuevas tecnologías y ampliación del servicio:

o Clientes Externos (Académicos y corporativos) o Instituciones o empresas que ofrezcan servicios de manufactura aditiva

• Estructura de costos: Los principales rubros de costos asociados a la operación de

ImpreAndes 3D son:

o Personal de atención al cliente o Mantenimiento de la plataforma o Capacitación de uso o Administración de la moneda o Capital humano adicional

• Fuentes de ingresos: Los ingresos están dados por los siguientes rubros:

o Presupuesto de impresión 3D (Facultad de Ingeniería) o Cobro por porcentaje de la orden de impresión (Se espera hacer a futuro

cuando ImpreAndes pase de utilizarse en ambientes netamente académicos)

7. CNK Tal y como se mencionó en la sección de la plataforma, CNK es la Criptomoneda que se diseña para realizar todas las transacciones dentro de la plataforma y tiene el potencial de expandirse a futuro a diferentes campos de la institución. En este epígrafe se discutirán las precisiones técnicas que rigen el funcionamiento de la criptomoneda. Para comprender la arquitectura que se utiliza es necesario aclarar el funcionamiento de la moneda y las transacciones. En la estructura del Blockchain, se tiene que es necesario firmar o aprobar una transacción para que esta puede llevarse a cabo y esto se hace mediante el uso de una llave pública (conocida por todos) y una llave privada (conocida únicamente por el usuario). Una vez que se produce la aprobación y verificación de una transacción, esta se agrega a la cadena de bloques donde se convierte en un registro inmutable que puede ser verificado junto con todas las transacciones anteriores para determinar el balance de una cuenta en particular. Como se mencionó anteriormente, el mecanismo de consenso utilizado es la prueba de tiempo transcurrido o Proof of elapsed time (PoET), es importante advertir de la vulnerabilidad de este y otros mecanismos de consenso, puesto que la cadena más larga existente es la aceptada por la red y si algún nodo tiene la posibilidad de crear muchos bloques fraudulentos y más rápido que los demás, teóricamente se puede alterar la cadena. La implementación de la criptomoneda se realiza en HYPERLEDGER SAWTOOTH y se delega la responsabilidad de creación y almacenamiento de llaves privadas a la plataforma (billetera virtual) del aplicativo METAMASK. En los albores de la implementación, se utiliza esta moneda exclusivamente dentro del proyecto enmarcado en ImpreAndes, sin embargo, tiene el potencial de incluirse en proyectos futuros y en los sistemas de transacción de la

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universidad y sus derivados tales como, la monetización de los subsidios que otorga la universidad a los estudiantes, ofreciendo trazabilidad y auditoría de estos recursos. También pueden utilizarse en actividades de la institución tales como la semana FOPRE, bazar al cual asisten restaurantes a la Universidad y pueden beneficiarse de este sistema de pago electrónico. De igual forma, se puede incluir en rubros tanto académicos e internos de la Universidad como externos, por ejemplo, brindar los apoyos financieros a estudiantes por estos medios, implementar sistemas de pago en negocios aledaños a la universidad que incorporen este tipo de pagos con criptomonedas. Es importante mencionar, que CNK se plantea como una “stable coin” o moneda estable, puesto que su valor estará ligado al del peso junto con su poder adquisitivo. Esta medida se toma para reducir la volatilidad en el valor de la moneda que imposibilita su uso comercial al exponer a sus usuarios a riesgos cambiarios fluctuantes y especulativos.

8. MODELO DE NEGOCIO CNK El modelo de negocio de la moneda se plantea de acuerdo a la adaptación que se utiliza para describir modelos de negocio de criptomonedas derivada del modelo Canva (Sánchez, 2011; Stehlik, 2017)

• Problema y alternativas existentes: El problema que propone resolver CNK es aquel de las transacciones que requieren papel moneda mediante la realización de transacciones por medio de criptomonedas en una plataforma descentralizada, pública y segura. Actualmente existen algunas soluciones similares, pero ninguna de propiedad de la Universidad.

• Condiciones de crecimiento: Para que se dé el crecimiento de la red CNK deben existir usuarios que realicen transacciones dentro de la red, primordialmente será dentro de ImpreAndes 3D y a futuro se espera implementar el uso de la moneda en diferentes plataformas tanto de servicios como de bienes.

• Indicadores de rendimiento: Los principales indicadores de rendimiento que se plantean son:

o # de compras por semana o # de transacciones entre usuarios por semana o Cantidad de monedas en circulación o Cantidad de servicios en los que está implementado CNK

• Economía y ¿por qué Blockchain?: CNK permite a los usuarios realizar

transacciones, utilizando inteligencia de negocio (Smart Contracts). Recolectando información útil para auditar y trazar las transacciones, de una forma descentralizada y segura. Se utiliza Blockchain para proteger la integridad de la propiedad intelectual de la información así como para ser garante en transacciones entre dos entidades que no confían entre sí.

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• Manejo: El manejo de CNK está a cargo de un administrador, quien se encarga de

habilitar/inhabilitar los tokens de acuerdo con las necesidades. Esta misma entidad podrá desarrollar e implementar contratos inteligentes asociados con los tokens.

• Interacción exterior: Los tokens podrán ser cambiados a dinero o transferidos a usuarios externos para ser utilizados en posteriores transacciones. Existen servicios exclusivos para el uso de los tokens CNK y poseerlos le permitirá al tenedor hacer uso de estos servicios y compra de bienes donde aplique.

• Participantes e incentivos: Los participantes de la criptomoneda serán cualquier usuario que haga uso de los tokens, podrá transferirlos y adquirirlos por medios virtuales y físicos, adicionalmente, existirá un encargado de la moneda para controlar los efectos pertinentes. Como incentivos, se tiene que al definir la metodología de consenso como prueba de tiempo transcurrido o Proof of elapsed time (PoET), los incentivos que se tienen por participar de la red y validar transacciones corresponden a un porcentaje de las transacción que se está ejecutando.

• Distribución y valor: Inicialmente, los tokens son creados por el administrador y asignados a los usuarios con presupuestos aprobados. En adelante, los usuarios podrán adquirir tokens adicionales comprándolos. No existe un límite de CNKs en circulación, sin embargo, debe estar respaldado por los presupuestos asignados así como las transacciones de adquisición que se hayan hecho (stable coin).

o CNK no pretende aumentar su valor, se mantendrá en $1.000 COP

• Uso del token (CNK): Los tokens son adquiridos por los participantes para realizar

transacciones dentro de las plataformas que implementan el uso de CNK. Los pueden transferir a otros usuarios o hacer compras con ellos y se permite que estén asociados a contratos inteligentes (Smart Contracts) para proveer de inteligencia de negocio al token.

9. ÉTICA Dentro del estudio presentado, es importante tener en cuenta ciertos aspectos éticos que derivan de la utilización de las tecnologías propias de ImpreAndes: Una de los principales cuestionamientos a los que ha estado sujeto el Blockchain y sus derivados es el elevado consumo energético asociado a la operación de las redes. Aquí es importante mencionar nuevamente que esto está relacionado con la forma en que se hace la validación e incorporación de los nuevos bloques o transacciones, es cardinal notar que dentro de la plataforma de ImpreAndes se utilizan metodologías de validación muy simples que no suponen un consumo energético elevado.

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Referente a los estándares de manufactura, se tiene que existe una normativa sobre las prácticas y requerimientos mínimos, descritos en las normas propuestas en Additive Manufacturing Technology Standards International (AMTS, 2021) para cada uno de los materiales y tecnologías de impresión. Es entonces primordial acatar e implementar lo sugerido en dicha norma a fin de garantizar buenas prácticas de manufactura aditiva que se trasladan en clientes satisfechos y productos de calidad. Adicionalmente, en redes de Blockchain existe una tendencia hacia realizar transacciones relacionadas a actividades criminales, dado que este tipo de redes permite total anonimato entre los actores de dichas transacciones y, aunque existe una trazabilidad de las transacciones, nuevamente son anónimas. En la red propuesta en el estudio, se utiliza un identificador que permite inferir la identidad de un usuario particular lo que elimina la posibilidad de utilizar estas tecnologías con fines diferentes a los establecidos. En lo que respecta a la manufactura aditiva, también existe un campo de uso criminal basado en la tecnología, dado que la flexibilidad de materiales y diseños de impresión permite desarrollar armas letales con mucha facilidad. Esto no ocurre en la plataforma que se presenta en el estudio dado que inicialmente se trabajarán órdenes sobre un catálogo de piezas preestablecido y a futuro (cuando la plataforma exceda los límites de la Universidad y se utilice en aplicaciones comerciales) se requerirá una aprobación de las pizas que se pretenda imprimir para evitar hacer parte de los eslabones de las cadenas criminales. De igual forma, existe un campo dentro de la manufactura aditiva que consiste en las bioimpresiones (prótesis) que van desde reemplazar partes del cuerpo hasta otorgar cualidades súper humanas. Esto es un reto que se anticipa dentro de la plataforma de ImpreAndes, puesto que se espera que departamentos como el de biomédica utilicen estas tecnologías y debe manejarse de acuerdo con las normativas y principios éticos particulares de las investigaciones a las que haya lugar. De allí deriva una inquietud adicional y es la utilización de animales y seres humanos en los procesos de pruebas referentes a las investigaciones sobre bioimpresiones, la cual deberá ser estudiada y evaluada en cada uno de las diferentes aplicaciones que se pretenda realizar. Como resultado de las problemáticas que se expusieron anteriormente, se propone que la plataforma debería tener asociado un comité de ética que evalúe las incidencias de las investigaciones que se pretende aprobar atendiendo los requerimientos éticos tanto del campo de estudio como de todo aquel que aplique.

10. TRABAJO FUTURO El trabajo futuro se categoriza en cuatro rubros principales de mejora, esencialmente se pretende profundizar en cada uno de los aspectos presentados en el estudio de ImpreAndes. Primero, el desarrollo de la criptomoneda aunque incipiente, posee gran potencial de utilización dentro de los ámbitos académicos y comerciales que rigen actividades dentro y fuera de la academia. Dentro de la academia se propone expandir el uso de la criptomoneda

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a espacios y procedimientos como: La semana FOPRE, un bazar que desarrolla semestralmente la Universidad y que utiliza papel moneda emitido por la misma; efecto que podría ser reemplazado con el uso de la criptomoneda, el otorgamiento de subsidios a estudiantes adscritos a programas relacionados y becarios, la utilización de la moneda como medio de pago en los diferentes establecimientos de comercio al interior (y a futuro al exterior) de la institución. Fuera de la academia se tiene un sinnúmero de aplicaciones dentro de las cuales se encuentran establecimientos de comercio aledaños y sistemas de transacciones entre usuarios que no necesariamente estén adscritos a la universidad. Segundo, la plataforma inicialmente será utilizada para fines académicos propiedad del Departamento de Ingeniería Industrial de la Universidad de Los Andes y el laboratorio de Ambientes Integrados de Aprendizaje (AIA), en el futuro se espera que su uso se extienda a varias Facultades de diferentes Universidades, masificando y facilitando el acceso al uso de estas tecnologías. Adicionalmente, es importante notar que esta plataforma puede ser adaptada a la tecnología de manufactura de corte CNC. Fuera del ámbito académico, existen aplicaciones comerciales e industriales para el uso de la plataforma dado que la manufactura aditiva es utilizada en estos campos y este estudio se propone como un piloto a pequeña escala de lo que sería una plataforma de uso industrial, así que tiene todo el potencial de aplicarse en un futuro a los fines industriales y comerciales mencionados. Tercero, la tecnología Blockchain, tiene campos de mejora como lo son la eficiencia computacional y el consumo energético que devenga su funcionamiento, así como la investigación de los rubros de ciberseguridad que se relacionan a esta tecnología. Ésta, como cualquier otra implementación de redes informáticas, está sujeta a sufrir ataques cibernéticos que alteren la integridad de la información que manejan y es un peligro potencial en redes Blockchain de menor escala puesto que es sencillo, dado el sistema de consenso que se utiliza para validar las transacciones, que entidades con vasto poder computacional puedan alterar la red y comprometer la seguridad de la información y los usuarios. Cuarto, referente al mejoramiento de las cadenas de suministro, que se pueden ver beneficiadas cada vez más por tecnologías que permitan su automatización y funcionamiento sin supervisión humana. Debe profundizarse en el uso de tecnologías revolucionarias tanto para el manejo de la cadena de suministro como un todo y a su vez para cada uno de los eslabones de la misma.

11. LIMITACIONES Una de las grandes limitaciones del proyecto radica en la funcionalidad principal de la plataforma propuesta y es que el usuario puede escoger al fabricante de su pieza. Por el contrario, si sólo se recibiesen órdenes, se puede delegar el trabajo de programación de la producción a algoritmos o heurísticas que garanticen una utilización cercana u óptima de las máquinas, así como del tiempo, haciendo los tiempos de espera para los usuarios más cortos.

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Otra de las grandes limitantes del proyecto surge a la hora de generar una cotización sobre un plano junto con sus especificaciones de manera automática, esto dada la variabilidad en los costos y la sensibilidad de los mismos a cambios en los parámetro y dimensiones. Se propone que a futuro se haga una calibración con diferentes piezas que incluyan una variedad amplia de casos y permitan formular un costo unitario por minuto y gramo de material utilizado para realizar una cotización basado en el conjunto de estos dos rubros. Al momento de la producción del documento, ha sido imposible probar el funcionamiento completo de la plataforma en condiciones reales, dadas las dificultades de acceso a las instalaciones y equipos necesarios para realizar dichas pruebas. Por último, se omitió la automatización de algunos procesos dado que no se tenía acceso a las instalaciones e infraestructura necesaria, lo que impidió incluir el uso de sensores, para incluir la tecnología IoT con el fin de automatizar aún más procesos, hacer control de la plataforma y de las máquinas en tiempo real de forma consolidada. Por ejemplo, utilizar sensores dentro de las impresoras 3D para poder monitorear desde la plataforma y en tiempo real la disponibilidad de insumos de impresión.

12. CONCLUSIONES En el estudio presentado se realiza una compilación de las tecnologías más importantes que rodean el funcionamiento de lo que se conoce como industria 4.0, enfocándose en la manufactura aditiva y su potencial futuro. Se integra adicionalmente la tecnología de Blockchain para obtener los beneficios de las estructuras de datos descentralizadas así como el uso de criptomonedas que permite un mejor control y auditoría de las transacciones que se tienen en un servicio como el que se pretende ofrecer. La combinación de la manufactura aditiva con las tecnologías de Blockchain presenta una sinergia positiva en términos de la suma de los beneficios de la versatilidad y personalización de la impresión 3D, así como las garantías de seguridad, derechos de autor y descentralización que ofrece el Blockchain (y la criptomoneda) Se realiza una propuesta de diseño que contempla los diferentes casos de uso de acuerdo con las necesidades primordiales de un servicio relacionado con la manufactura aditiva y se plasman de acuerdo con un formato de Eventos, Condiciones y Acciones (ECA). Este diseño incluye la utilización de contratos inteligentes para llevar a cabo las labores de inteligencia de negocio y verificación, dentro de los procesos de cotización, pago, impresión y reclamos (todo esto con un respaldo de información en la cadena de Blockchain donde se verifica cualquier inconsistencia). El desarrollo de la criptomoneda facilita las transacciones dentro de la plataforma y la provee de características adicionales (a utilizar medios de pago convencionales) como lo son la seguridad de las transacciones, auditabilidad y consistencia de la información. Se tienen en cuenta las preocupaciones éticas alrededor del elevado consumo energético de algunas criptomonedas y se ajusta el funcionamiento (particularmente el método de consenso) para que este sea mínimo, sin perder las características de seguridad y eficiencia en términos de

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costos y consumo energético. Es prudente utilizar el mecanismo de consenso conocido como prueba de tiempo transcurrido o Proof of elapsed time (PoET) Finalmente, se propone un listado de trabajos futuros en los que es importante ahondar para lograr el objetivo final del que parte el estudio: Generar una aplicación industrial de manufactura aditiva integrando la tecnología de Blockchain, combinándola con otras técnicas de manufactura que permitan ser eficientes a la hora de producir bienes con elevados estándares. BIBLIOGRAFIA Al-Dulimi, Z., Wallis, M., Tan, D. K., Maniruzzaman, M., & Nokhodchi, A. (2020). 3D

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IMPREANDES 3D: UN PROTOTIPO DE RED PEER- TO-PEER DE …

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