Los mercados son cada vez más exigentes en términos de calidad, plazos de entrega, costes, o lotes más cortos

Nuevas tecnologías de mecanizado

José Ángel Marañón, responsable de explotación y programas de empresa de IK4-Ideko Centro Tecnológico13/05/2013
El mecanizado ha pasado por gran cantidad de vicisitudes a lo largo de los últimos tiempos, como el que va a disminuir drásticamente o que se va a desplazar a otros países. En la actualidad hay grandes apuestas de países como Estados Unidos, Inglaterra y Alemania, entre otros, que apuestan por recuperar el manufacturing, entre el que se incluye el mecanizado, incentivando su implantación. Por otro lado, dentro de la Unión Europea se considera el manufacturing como un sector estratégico y se está contemplando en sus planes de futuro.

Los mercados son cada vez más exigentes en términos de calidad, plazos de entrega, costes, lotes cada vez más cortos, etc. Y nos encontramos con clientes cada vez menos fieles es por ello que es necesario adaptarse a los tiempos por medio de los sistemas productivos.

Se están produciendo avances en los medios productivos relacionados con el mecanizado, fundamentalmente las máquinas-herramientas y los procesos, buscando dar respuesta a las exigencias de los mercados.

Dentro de este último punto vamos a realizar un pequeño análisis de que está ocurriendo en este campo del mecanizado ya que el abanico que se abre es muy grande.

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Refrigeración eficiente en rectificado con nuevo diseño de toberas.

Los mercados y las piezas a mecanizar

Los mercados están siendo cada vez más dinámicos y nos encontramos con las siguientes características:

  • Productos con ciclo de vida más cortos
  • Gran variedad dentro del mismo producto
  • Personalización de los productos
  • Apuesta por la calidad y la fiabilidad
  • Productos tecnológicos
  • Nuevos usuarios y usos
  • Menor fiabilidad de los clientes
  • Clientes más sofisticados
  • Globalización de la producción
  • Evolución de los sistemas de producción
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Medición de deformaciones térmicas en máquina.

Esta evolución de los mercados trae como consecuencia la adaptación de las empresas siendo cada vez menos válidos los modelos tradicionales. Y habrá que adaptarse a modelos que contemplen:

  • La posibilidad de realizar gran variedad de productos
  • Posibilitar los cambios rápidos de producto
  • Empresas ajustadas - descentralizadas
  • Stock cero- just in time
  • Fabricación bajo demanda
  • Hacerlo bien a la primera
  • Etc.

Bajando más a detalle, es decir a nivel pieza, se están produciendo cambios importantes en las mismas como son:

El aumento de la precisión en todas las características de las piezas como son las dimensionales, superficiales, geométricas y de integridad superficial con objeto de aumentar la fiabilidad de las mismas.

El aumento de complejidad de las piezas que al aumentar las posibilidades de mecanizado, sobre todo los 5 ejes, ha permitido diseñar piezas más complejas.

La reducción de los tamaños de los lotes. Estos son cada vez más cortos e incluso unitarios lo que hace que para ser competitivos hay que tener los medios productivos más apropiados y flexibles.

El tamaño de la pieza con la aparición de dos nuevos sectores cada vez más importantes y opuestos como son el de las piezas grandes y el de las piezas pequeñas.

La entrada de nuevos materiales denominados hasta hace unos años exóticos, pero cada vez más habituales como pueden ser titanio, inconel, fibras de carbono, fibras de vidrio, etc. Y muchos de ellos con difícil maquinabilidad o consistencia.

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Medición y posicionamiento de pieza con fotogrametría.

Por lo tanto para poder ser competitivos dentro de este sector es necesario el poder ofrecer precisión, flexibilidad, menos coste y un mejor plazo de entrega. Y por lo tanto cuando se vaya a elegir un medio productivo o un proceso de mecanizado son aspectos que tienen que primar a la hora de analizar la oferta y la posterior elección de los medios productivos más apropiados.

Hoy en día hay una gran oferta y muchos de los medios productivos se están adecuando de una u otra forma para dar respuesta a las premisas enumeradas anteriormente.

Diseño del mecanizado

Hoy en día es cada vez más importante el diseño del proceso de mecanizado ya que no sólo es necesario el hacer la pieza, sino que hay que hacerla con unas tolerancias más justadas, más rápido, con geometrías más complejas y bien a la primera y en muchos casos utilizando un gran número de herramientas heterogéneas e incluso contemplando diferentes tecnologías dentro de la misma máquina.

Para realizar el diseño del proceso de mecanizado se cuenta hoy en día con programas de ayuda a la programación (CAM) que realmente ayudan a analizar diferentes estrategias de mecanizado, en la mayoría de los casos desde un punto de vista de tiempos pero ya están entrando en el mercado simulaciones de estados superficiales y fuerzas generadas, y por lo tanto se puede simular la estrategia elegida y en un gran número de casos acercarse en gran medida a la realidad.

Dentro del mecanizado es importan el elegir o definir las estrategias que se van a empelar en el mecanizado ya que se pueden obtener diferentes resultados tanto en tiempos de ejecución como en calidad. Dentro de las estrategias se pueden enumerar el mecanizado de alto rendimiento y el de alta velocidad. Por otro lado es importante el conocer la maquinabilidad del material ya que puede que nos obligue a tener que optar por estrategias más adecuadas al material. También tenemos la geometría de la pieza a mecanizar en forma de complejidad geométrica o paredes delgadas entre otros en este aspecto es importante el sacar el mayor partico a los ejes que tenga la máquina. Otras estrategias que existen hoy en día están relacionadas con la forma geométrica en que se realiza el mecanizado, es decir, la forma en que se lleva la herramienta para conseguir la geometría de corte como puede ser el corte planetario.

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La tendencia es hacia piezas grandes.

Se ha comentado que en muchos casos se incluyen diferentes tecnologías de procesado de materiales dentro de la misma máquina y por lo tanto no sólo es válido el tener una buena estrategia en una tecnología sino que será necesario el poder realizar estrategias en diferentes tecnologías.

Dentro de este apartado de multi-tecnologías es importante el analizar las colisiones que se pudieran producir durante el mecanizado y para ello se tienen soluciones tanto desde el aspecto de simulación como en tiempo real en las máquinas.

El aseguramiento de la precisión

Se ha comentado anteriormente que uno de los aspectos fundamentales de las nuevas tendencias del mecanizado es la precisión y por lo tanto los sistemas de medición e inspección adquieren un posicionamiento fundamental. La tendencia es a incluirlos dentro del proceso productivo, en la medida de lo posible, y pueden ser in-process o post-process.

La tecnología de medición está avanzando de forma rápida en la medida que se están desarrollando soluciones basadas en sistemas que antes no se empleaban para este tipo de mediciones debido a su coste o al propio estado de la tecnología. Las tecnologías que se utilizan son de lo más variadas y hay que tener en cuanta cual es la que mejor se adapta a la medición que se quiera realizar de la forma más económica, pero cumpliendo con los objetivos y la fiabilidad de la medición. Las exigencias de medir con una mayor precisión junto con la aparición de superficies cada vez más complejas o que no admiten ser tocadas durante el proceso están llevando al desarrollo de nuevas tecnologías de medición sin contacto para la detección y la medición.

Un requisito que está evolucionando es el de la medición de las tensiones residuales dentro del apartado de la integridad superficial de la pieza y es un aspecto que se debiera tener en cuenta incluso en el apartado anterior, referente al diseño del mecanizado, ya que en función del proceso de mecanizado que se aplique se generarán o no tensiones residuales perjudiciales para la pieza y es posible que dentro de los procesos a lo que someter la pieza haya que incluir operaciones de relajación.

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Sistema activo de eliminación de vibraciones in-process.

Las tendencias y desarrollos están orientados a un aumento de la automatización de los sistemas de inspección y medición. Además de la automatización está el desarrollo del aumento de la velocidad de medición y de la precisión. Así mismo está la incorporación de cada vez más ‘inteligencia’ a los sistemas de medida y de interfaces hombre-sistema de medida cada vez más amigables y con más información.

En el apartado de medición e inspección de piezas y procesos hoy en día hay muchas tecnologías y dispositivos y hay que tener muy claro cuál es el más conveniente para cada caso. Dando un repaso, sin entrar en detalles de sus funcionamientos técnicos, los sistemas y tecnologías que más están sobresaliendo fuera de las tradicionales están:

  • Los ultrasonidos
  • Los sistemas basados en el láser
  • La termografía
  • La fotogrametría
  • La visión artificial
  • Los sistemas de medida por contacto
  • Los rayos X

En el apartado de los sistemas productivos también se están dando grandes pasos a la hora de conseguir que sean cada vez más precisos incorporando sistemas de medición dentro de los propios sistemas, aparte de los ya necesarios para el control de los movimientos. Estos sistemas se basan básicamente en dos las temperaturas y las vibraciones desarrollando máquinas cada vez más ‘inteligentes’ que minimicen los errores producidos debidos a estos efectos por medio de adaptaciones del sistema productivo.

Procesos de mecanizado

Dentro de los procesos de mecanizado hay que distinguir tres grandes apartados:

  1. Procesos que se llevan a cabo con herramientas de corte definido. Estos procesos son los más conocidos como el torneado, fresado, taladrado, roscado, etc. En este apartado se están desarrollando nuevas geometrías de corte, nuevos recubrimientos, herramientas más multifunción, etc. Los mayores avances van a venir por la mejora de los modelos teóricos de corte y de acabado acercándose cada vez más a la realidad con objeto de poder predecir el resultado final y poder tener simulaciones más realistas de los procesos de mecanizado. Por otro lado estos modelos van a permitir el dotar de más inteligencia a las máquinas pudiendo tener controles más adaptativos a los procesos.
  2. Procesos que se llevan a cabo con herramientas de corte no definido. Estos procesos son los considerados dentro de la abrasión como es el rectificado. Dentro de este tipo de procesos se están desarrollando nuevos tipos de muelas con mayor capacidad de arranque. Se están mejorando los modelos de mecanizado, que aunque están en una fase anterior a los de corte definido están avanzando muy deprisa y con el mismo objetivo. El desarrollo de estos modelos permitirán el acertar en los parámetros de corte a seleccionar en el rectificado así como para eliminar problemas que surgen durante el proceso de rectificado como pueden ser quemados, errores de formas, vibraciones, etc.
  3. Otro tipo de procesos. Dentro de este apartado es donde más cambios se están produciendo debido a la industrialización de procesos que antes eran más de laboratorio como son, entre otros:

3.1. Los sistemas basado en láser para la fabricación near net shape (cercano a la forma final) más conocido como prototipado rápido en 3D de piezas metálicas bien sea con aporte de material o por solidificación de capas. Este proceso está pasando de ser de prototipado a industrial. O la utilización del láser para el temple in-process o como proceso de apoyo a otros. Además de los ya conocidos de corte, grabado, etc.

3.2. Los ultrasonidos como apoyo a operaciones más clásicas como el taladrado, el torneado o el rectificado entre otros. Permitiendo trabajar materiales de difícil maquinabilidad o con mucha fragilidad.

3.3. El mecanizado electroquímico como alternativa al fresado.

3.4. El ‘roller burnishing’ como proceso basado en la deformación plástica de material con objeto de eliminar las tensiones residuales ‘malas’ o de tracción y para poder conseguir mejores acabados superficiales.

3.5. El corte por agua como proceso de corte que empieza a dar resultados en fresado.

Otro aspecto importante dentro de los procesos de mecanizado y que hay que tener en cuenta es la “guerra” entre procesos ya que se están comiendo terreno unos a otros abarcando unos procesos los que antes eran exclusivos de otros y por lo tanto hay que incorporarlos a la hora de diseñar los procesos. Dentro de estos procesos están entre otros:

  • Torneado en duro frente a rectificado.
  • Rectificado por peeling frente al torneado.
  • Rectificado en ‘creep feed’ frente al fresado.
  • Brochado frente al rectificado con creep feed o el fresado.
  • El rectificado con creep feed frente al ‘speed stroke’.
  • Etc.

Es importante conocer las posibilidades, limitaciones y el coste de las operaciones para poder elegir una u otra tecnología.

La sostenibilidad de los procesos

La sostenibilidad es uno de los aspectos más importantes dentro de las tendencias en mecanizado. El reducir el impacto medioambiental es una de las búsquedas dentro de los desarrollos de máquinas y procesos.

El concepto del coste de ciclo de vida de la máquina (LCC) con acciones de reducir el consumo energético o incluso con técnicas de ecodiseño para minimizar el impacto medioambiental en la propia construcción de la máquina son aspectos que se están desarrollando. Así mismo hay acciones de mejoras de las condiciones de corte o de reducción de residuos que están avanzando por medio de controles adaptativos o control de problemas en máquinas que permitan tener piezas con cero defectos. Un aspecto que ha comenzado a darse es las tecnologías lean dentro del desarrollo de las máquinas haciéndolas más compactas con objeto de emplear el mínimo espacio disponible y dentro de este apartado se podría incluir el mecanizado en vertical.

En el apartado de los procesos un factor importante es la refrigeración de los procesos de mecanizado, si bien hay procesos que se pueden realizar en seco hay un gran número de procesos que necesitan de refrigerante y en algunos casos de una gran cantidad de refrigerante en forma de caudal o de presión o ambos. Dentro de este apartado hace años que se desarrolló la tecnología de MQL (mínima cantidad de lubricante), pero todavía no está explotada en su totalidad. Por otro lado ha comenzado a emplearse la criogenización para apoyo al mecanizado en operaciones de fresado, taladrado y torneado con objeto de aumentar la vida de la herramienta.

Si analizamos el rectificado, que es uno de los procesos que más refrigerante utiliza nos encontramos con varias tendencias. La primera de ellas es utilizar el calor generado para templar la pieza lo que se denomina Green Hardening. La segunda es la optimización de las toberas que proyectan el refrigerante cobre el contacto muela – pieza buscando una mayor efectividad y aumentar la vida de la muela así como efectuar cambio en los parámetros del proceso para aumentar la productividad. La tercera es el empleo del concepto de criogenización congelando el refrigerante sobre la superficie de la muela para que por efecto del calor del contacto muela- pieza se descongele, este proceso permite reducir drásticamente el consumo de refrigerante y se considera como el MQL del rectificado.

Otros aspectos relacionados con la sostenibilidad pueden ser el de recuperación de la energía en la máquina cuando se efectúan los frenados, el dejar la máquina en standby, bien toda la máquina o componentes que no están en uso, El tener conceptos amigables para su utilización, concepto friendly. La mejora de aspectos de ergonomía y seguridad en las máquinas. Incluso hay empresas que el concepto estético está cogiendo importancia con estudios que dicen que mejora la productividad.

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Sistema MQL en rectificado con criogenización del refrigerante.

Las máquinas

Dentro del mecanizado un aspecto fundamental es la máquina con las diferentes arquitecturas, componentes, funciones, etc. Sería muy largo el analizar todas las tendencias que existen en sistemas de guiado, motores, cabezales, materiales, arquitecturas, velocidades, etc. Por lo nos vamos a centrar en el dar un breve repaso a las máquinas denominadas multitask o multifunción.

Las máquinas multifunción han existido desde siempre, pero es en la actualidad donde está cogiendo más auge debido sobre todo a la flexibilidad que permiten para atacar lotes cortes o unitarios de fabricación.

Este tipo de máquinas, tal y como los conocemos ahora, nació sobre los centros de torneado y se ha ido extendiendo a otros tipos de máquinas como fresadoras, rectificadoras, etc. Esto nos lleva a que se está realizando multifunción sobre plataformas de partida de máquinas muy diferentes y habrá que tener claro que se está persiguiendo con la multifunción para la elección de la más apropiada. No es lo mismo una rectificadora que tornea en duro que un torno que rectifica por poner un ejemplo.

Dentro del concepto multitask están entrando todo tipo de tecnologías con objeto de terminar la pieza dentro de la máquina así se está incluyendo temas como temple, soldadura, brochado, galeteado, montaje, grabado, tallado de engranes, etc. Por lo que su manejo, para sacar el máximo rendimiento, es muy complicado y es necesario la programación por medio de programas CAM ya que se mezclan muchos conceptos y es necesaria una formación añadida ya que no vale con fresador o tornero sino que al incluir más tecnologías habrá que formar a los usuarios y a los diseñadores de los procesos otras tecnologías.

En este tipo de máquinas es importante el concepto de simulación ya que se emplean una gran cantidad de herramientas y dispositivos que pueden dar lugar a colisiones con algunas partes de las máquinas.

La inteligencia dentro del mecanizado

Un apartado importante dentro de los desarrollos que se están llevando a cabo es el dotar a los medios productivos de una mayor ‘inteligencia’ las denominadas ‘smart machine’. Dentro de esta denominación entran un gran abanico de tecnologías que algunas ya están en el mercado con una mayor o menor automatización y otras están por venir.

Algunos de los desarrollos que ya están, y que no por ello se está dejando de investigar, son los relacionados con las vibraciones y las deformaciones debido a los cambios de temperaturas y las correcciones de errores correspondientes en forma de cambio de parámetros de corte u otro tipo de compensaciones geométricas o dinámicas.

Otros avances se están dando alrededor de los controles adaptativos con objeto de que sea la máquina la que ‘elija’, en base a una serie de informaciones captadas por medio de sensores, como adaptar el proceso a las condiciones cambiantes del mismo. Estos controles adaptativo están en muchos casos basado en sistemas de inteligencia artificial.

Los conceptos de monitorización de los procesos productivos se están llevando a cabo para lo anteriormente expuesto así como para obtener conocimiento de lo que está pasando y poder explotar esta información desde aspectos como errores en componentes de las máquinas, gestión de las alarmas, archivo de las incidencias, control de mantenimientos, etc.

Otro aspecto importante es la relación entre el hombre y la máquina, es decir cómo hacer más amigable el manejo de los sistemas productivos y para ello se están realizando desarrollos en temas relacionados con interfaces más amigables, ingeniería emocional, realidad aumentada, manejo gestual, etc. Así mismo se está trabajando en las relaciones máquina hombre y por otro lado está la integración de la máquina dentro de la red de la empresa como un elemento más.

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Ejemplos de mecanizado con y sin aspiracion.

Conclusión

Tras realizar un breve repaso a algunas de las tendencias que existen hoy en día se observa que hay muchos frentes abiertos para la mejora del mecanizado y desde diferentes ópticas.

La respuesta que hay que dar a los mercados se centra en la flexibilidad para dar respuesta a las series cortas con una mayor exigencia de calidad haciéndolo bien a la primera.

Está cambiando el escenario del mecanizado con la evolución de los medios productivos, los avances en los procesos, las herramientas y la tendencia a terminar todo en una máquina.

El futuro del mecanizado pasa por dar una respuesta a las exigencias de los mercados incorporando medios productivos más flexibles y precisos y cada vez más inteligentes buscando una mayor sostenibilidad tanto en eficiencia energética como en generación de residuos.

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