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Tendencias en los sistemas de fabricación

Javier Aranceta (Ideko Centro Tecnológico)15/10/2003
Diseños que no pesan, recubrimientos naométricos, materiales inteligentes... y cosas que ni siquiera imaginamos ahora cambiarán completamente los entornos de producción del futuro. Algunos de estos cambios ya están, por lo que se dice, a la vuelta de la esquina. Javier Aranceta del centro tecnológico Ideko adelantó algunas de las tendencias futuras en una ponencia presentada en el Primer Congreso Internacional de Diseño, Tecnologías e Ingeniería de Producto (Protodesign), celebrado este año en Valencia.
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Guante sensible para aplicaciones de realidad virtual (Fotografía: Gedas)
Los cada vez más exigentes requisitos de los distintos sectores obligan a evolucionar rápidamente tanto en procesos como en sistemas de fabricación.

Diversos informes, nacionales e internacionales, apuntan hacia unas tendencias a medio y largo plazo en componentes y medios de producción que, de cumplirse, harán que los entornos productivos que veremos en pocos años puedan parezcan hoy casi de ciencia-ficción.

Si bien dichas predicciones se basan, fundamentalmente, en la evolución esperable de determinadas tecnologías cercanas a los componentes principales de los medios productivos, la evolución de la sociedad obligará a cambiar, además de los medios productivos, las "maneras" de producir.

Estos estudios predicen a corto y medio plazo:

  • Un incremento notable de la productividad, pudiendo duplicar las actuales velocidades de desplazamiento y corte.
  • Incorporación de servicios de alto valor añadido, mediante la integración y generalización de las tecnologías I*net y las bases de datos tecnológicas.
  • La disposición de de nuevas herramientas con nuevas geometrías y recubrimientos.
  • Generalización de CAM y otros servicios en el CNC.

Y a medio y largo plazo...

  • Los medios productivos combinarán, de forma generalizada, procesos diversos para obtener una óptima productividad
  • Las estructuras de las máquinas estarán realizadas en materiales diversos combinados para optimizar su comportamiento.
  • Los medios productivos incorporarán sistemas de monitorización y diagnóstico inteligentes
  • Se aumentará un orden de magnitud la precisión en el mecanizado.
  • Se generalizará el mecanizado en seco y con MQL
  • Estarán disponibles CAMs sensibles a las formas a mecanizar
  • El coste medioambiental se reducirá en más de un 50 por ciento del actual
  • Se gestionará de forma integral la fiabilidad, mantenibilidad y el ciclo de vida.

Las actuales líneas prioritarias de investigación en la Comunidad Europea, a las que seguirán inmediatamente las nacionales y autonómicas, orientan las investigaciones hacia el dominio y aplicación de materiales inteligentes y de nanotecnologías, junto con procesos y sistemas innovadores de producción.

El desarrollo de estas tecnologías va a tener, sin duda, un importante impacto en los actuales medios y modos de producción.

Tendencias en los componentes y estructuras

A continuación se describen, brevemente, los avances esperables en los elementos más importantes de los actuales medios de producción.

El cabezal

Es el elemento tractor de la herramienta (en los procesos de corte y de abrasión) cuyo límite de actuación esta impuesto por el calor generado en los rodamientos.

Este límite ha estado, hasta la incorporación de los actuales recubrimientos, en valores en torno a nxdm = 1,5x106 mm.rpm. Actualmente se alcanzan valores en torno a nxdm = 2,5x106 mm.rpm. Los factores decisivos para conseguirlo han sido:

  • Recubrimientos de las pistas de rodadura,
  • Utilización de rodamientos híbridos
  • Lubricaciones aire-aceite

Los avances en las nanotecnologías darán lugar al desarrollo de nuevos recubrimientos que permitirán superar con amplitud la actual barrera de la misma manera que los recubrimientos actuales permitieron casi duplicar el anterior límite

Por otra parte, hace pocos años, ha hecho su aparición en el mercado el cabezal de cojinete electromagnético, en el que debido a la ausencia de fricción, se alcanzan valores de nxdm = 4x106 mm.rpm. y cuya esperanza media de vida triplica a la de los cabezales tradicionales.

Como ventaja adicional que se obtiene al aumentar las frecuencias de rotación de los cabezales, puede añadirse el hecho de que se trabajará lejos de las frecuencias críticas de las estructuras lo que implica mejor comportamiento dinámico de todo el proceso productivo.

Accionamientos

as últimas generaciones de accionamientos digitales permiten mantener bajo control, en todo momento, la zona de corte.

El sistema tuerca-husillo permite hoy superar los 90 m/min.

Los accionamientos lineales presentan ventajas respecto del tradicional sistema tuerca-husillo, entre las que destacan:

  • Mejor respuesta dinámica
  • Mejor rigidez bajo carga
  • Mayor velocidad y recorrido alcanzables
  • Mayor sencillez de montaje aunque también tienen inconvenientes como son:
  • Menor fuerza máxima alcanzable
  • Necesidad de eliminar el calor generado
  • Mayor precio, por el momento. y son los más empleados para velocidades superiores a los 100 m/min.

Actualmente ya hay sistemas experimentales que superan los 250 m/min con este tipo de accionamientos. En la medida en que los límites que han de superar los elementos anexos (portacables, refrigeración, velocidad de lectura y procesado de la posición, …) vayan siendo alcanzados, esta nueva generación de accionamientos se incorporarán a las máquinas más avanzadas.

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Figura 1. Estructura tradicional box in box
Los avances en las nanotecnologías darán lugar al desarrollo de nuevos recubrimientos que permitirán superar con amplitud la actual barrera

Diseños esbeltos

Las tecnologías relacionadas con lo que se conoce como "near-net shape" permitirán que las piezas a mecanizar tengan paulatinamente menos material a eliminar, lo que puede llevar a menores espesores de viruta y, por lo tanto, y en general, menores fuerzas en juego durante el proceso de arranque.

Esto conducirá a un diseño de máquina más ágil y esbelto que los actuales, con partes estructurales con buen comportamiento de rigidez y amortiguamiento utilizando los materiales y estructuras adecuados y partes móviles muy ligeras.

Un ejemplo de esto último se tiene en la comparación entre las dos figuras siguientes correspondientes a módulos de mecanizado orientados al sector de automoción en el que priman los mecanizados ligeros y la alta productividad. Como puede observarse claramente la diferencia es apreciable en la estructura, mucho menos masiva la segunda que incorpora, además, el aluminio como principal material. Además la incorporación de motores lineales en su eje X permite una flexibilidad de construcción (eje X virtualmente infinito, múltiples dispositivos sobre una bancada, …) imposible hace tan solo 5 años.

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Figura 2. Estructura adaptada a mecanizado ágil
Otra vía de aligerar estructuras, también reciente, es la que se conoce como cinemática paralela, que sin ser el salto definitivo que muchos pronosticaban, tiene múltiples aplicaciones por su sencillez constructiva y su flexibilidad de movimientos. La siguiente tabla recoge algunas de sus ventajas e inconvenientes, que en la medida en la que se vayan solventando harán que este tipo de dispositivos se vean con más frecuencia.

Control de errores

robablemente el principal problema al que se enfrentan los sistemas productivos sea la detección y corrección de errores.

Efectivamente, hoy en día todos los sistemas avanzados se someten a asimulación en condiciones más o menos normales. Sin embargo, las distorsiones que se presentan durante su trabajo no son fáciles de prever ni mucho menos de evitarse en fase de diseño.

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Figura 3. Ejemplo de cinemática paralela
Distorsiones como la térmica, producida por cambios de temperatura ambiente, calor generado por la propia máquina, o en el proceso de mecanizado siguen siendo, hoy, y a pesar del notable esfuerzo investigador dedicado a controlar este efecto, un problema de primera magnitud.

La solución tradicional, consistente en mantener la máquina en un entorno de temperatura controlada, no siempre es conveniente y las tendencias a obtener la solución por otras vías (actuación desde la fase de diseño, simetrías, técnicas analíticas, redes neuronales, inteligencia artificial, etc) no han cubierto, por el momento, las necesidades del mercado si bien presentan interesantes vías, si no de solución completa, sí de disminución notable del defecto.

Otros problemas como las vibraciones seguirán presentes, aunque a frecuencias más altas que las actuales debido a las mayores velocidades de corte y a las estructuras más ligeras y rígidas y su solución seguirá siendo una importante ventaja competitiva.

Diversos informes, nacionales e internacionales, apuntan hacia unas tendencias a medio y largo plazo en componentes y medios de producción que, de cumplirse, harán que los entornos productivos que veremos en pocos años puedan parezcan hoy casi de ciencia-ficción

Control del ciclo de vida

Un aspecto que hasta ahora no se ha abordado seriamente por parte de los fabricantes de sistemas de producción es la gestión del ciclo de vida del producto.

Por ser, habitualmente, un producto de larga duración (>10 años) el fabricante rara vez se hace cargo incluso de su actualización, debido al coste que ello conlleva y a que se parte siempre de un sistema "desgastado".

Sin embargo, la rápida evolución de los mercados obligará a reducir los ciclos de vida actuales por lo que se habrá de diseñar pensando en la recuperación del material entregado, de forma similar a como lo están empezando a hacer algunos fabricantes de automóviles, por ejemplo.

Por otra parte, este mismo mercado cambiante, obligará a negociar entre fabricantes y usuarios la venta de servicios más que sistemas, es decir, la producción asegurada de un número de piezas con unas calidades determinadas, una especie de "alquiler" de medios productivos. Los sistemas habrán de ser, por lo tanto, más reconfigurables o más flexibles de lo que lo son hoy en día y el diseño habrá de tener en cuenta muchas más alternativas que las que hoy se prevén.

Conclusiones

Un mercado rapidamente cambiante y muy exigente obligará a replantearse tanto los sistemas de fabricación como las formas de fabricación.

Las líneas de investigación prioritarias hoy en día permitirán desarrollar importantes avances en las ciencias de los materiales y de los recubrimientos que dejarán muy atrás los actuales límites de procesos de fabricación y de comportamiento de los componentes utilizados para dichos procesos.

La preocupación por el medio ambiente y los cambios rápidos que requerirá el mercado obligará a evolucionar en el concepto de ecodiseño y en el diseño orientado al control del completo ciclo de vida de los productos.

Bibliografía

  • Machining Tech Trends. The Future of machining technologiy and processes. SME. 2002
  • Tercer Informe de Prospectiva Tecnológica Industrial. Futuro Tecnológico en el horizonte del 2015. OPTI, 2001
  • Visionary Manufacturing Challenges for 2020. National Academy Press. 1998

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