¿Cómo mecanizar una pieza sin generar desperdicios?

Eifel Mold & Engineering y Redoe Mold representan dos extremos del espectro de los talleres de moldes. Redoe es una compañía internacional con múltiples instalaciones de manufactura de moldes que emplean un poco más de cien empleados. Eifel es un taller de moldes familiar, de 15 personas, en una sola sede. Estos talleres están separados unos 48 kilómetros. La planta principal y las oficinas centrales de Redoe se encuentran en Windsor, Ontario. La planta de Eifel está en Fraser, Michigan, al noreste de su contraparte canadiense. Redoe se especializa en moldes grandes y complejos para faros de automóviles. Eifel es mejor conocida por sus moldes para componentes de volantes y paneles de instrumentación interior.

Ambos talleres están totalmente comprometidos con el “mecanizado cero stock” (zero stock machining). Esto significa tener la dedicación y disciplina para fresar rutinariamente superficies críticas de moldes sin dejar material en exceso. La condición de cero reservas de estas superficies elimina la posibilidad de compensar posteriormente el desgaste de la herramienta, las imprecisiones o las variables de proceso no controladas. No hay una segunda oportunidad para corregir o compensarlo en el banco con trabajo manual.

Sin embargo, producir superficies de moldes casi perfectas directamente en la máquina fresadora pasa por alto varios pasos que le agregan más tiempo de producción al molde. Las operaciones de desbaste, semiacabado y acabado pueden desarrollarse en el molde en estado endurecido (para pequeños moldes, estas operaciones pueden hacerse generalmente en una máquina en un único alistamiento). Se requiere poco o nada de trabajo manual después del mecanizado (los acabados tipo espejo para moldes de óptima calidad pueden requerir un pulido con pasta de diamante, pero eso es todo). El tiempo en la prensa de detección para verificar la alineación del núcleo y de la cavidad se reduce a horas en lugar de días para moldes pequeños, y a uno o dos días, en lugar de semanas, para moldes grandes. Aún más, en muchos casos, los moldes producidos con mecanizado cero stock operan más tiempo y de una manera más eficiente en los talleres de moldes de inyección de los clientes. La extrema eficiencia de la estrategia de mecanizado cero stock les permite a ambos talleres ofrecer precios y tiempos de entrega globalmente competitivos. Eifel y Redoe demuestran que los fabricantes de moldes pueden competir en Norteamérica con técnicas igualmente aplicables para una compañía grande o pequeña.

El éxito del mecanizado cero stock radica en una implementación coordinada de avances en cuatro amplias áreas de tecnología de manufactura: máquinas-herramienta superrígidas y superprecisas para alta velocidad de mecanizado; fijación de la pieza de trabajo flexible y altamente repetible; sujetadores rígidos para las herramientas de corte con radios excepcionalmente precisos en la punta, y software CAM capaz de producir patrones de herramientas para mecanizado de alta precisión en modo desatendido. Eifel y Redoe tienen en sitio el hardware y el software requerido para el mecanizado cero stock. Más importante aún, ambos talleres tienen una fuerza de trabajo que entiende completamente y adopta el enfoque de “no hay espacio para el error” en el mecanizado de moldes que el proceso cero stock implica.

Causa común
Aunque las diferencias entre cómo Eifel y Redoe han implementado el mecanizado cero stock son importantes e interesantes, los dos talleres de moldes tienen en común algo  igualmente significativo. Ambos disponen de líderes que son fuertes representantes de esta estrategia, no obstante ser realistas sobre la intensa disciplina que involucra. El presidente y CEO de Eifel es Rick Hecker, cuyo padre comenzó la compañía como un taller de patrones a principios de los setenta. En Redoe, Eric Leene supervisa la planta de 110 personas en la instalación de producción de moldes, adyacente a las oficinas administrativas y de ingeniería de la compañía. Él ha estado con la empresa por más de 20 años. Cada líder es responsable de llevar su respectivo taller al mecanizado cero stock, asegurándose de que sus procedimientos sean seguidos sin restricciones y manteniéndose al día con los nuevos desarrollos en tecnología.

Ambos talleres están enfocados principalmente en moldes para la industria automotriz, lo cual no sorprende dada su ubicación en la gran área de Detroit. Las tendencias en el estilo automotor influyen fuertemente su trabajo, representado en dos áreas especialmente sensibles a los gustos de los consumidores.

Redoe se especializa en moldes multicolor y multidirección para luces delanteras, traseras y reflectores ―componentes que definen sustancialmente la apariencia exterior de un vehículo―. “Los diseñadores están creando formas tridimensionales más largas y profundas, con ligeros ángulos de inclinación y patrones con texturas para refracción de la luz, con el fin de producir efectos visuales sustanciales”, explica Leene. Esto significa que los moldes ofrecen bolsillos más profundos, contornos más complejos y espacios más estrechos que presentan un reto para el mecanizado. La calidad óptica de los componentes moldeados magnifica el más mínimo defecto y pone en peligro el efecto estético deseado.

Eifel enfrenta una presión similar, pero desde la experiencia del consumidor en el interior del carro. “Un volante no solo debe verse bien, sino sentirse bien”, anota Hecker. El molde tiene que satisfacer estas exigencias críticas. Otro ejemplo de las preocupaciones estéticas que traspasan hasta el mecanizado de moldes en el taller es el bisel de una consola de instrumentos. En este caso, tales preocupaciones impusieron criterios igualmente exigentes para producir el molde que Eifel recientemente completó. Por ejemplo, las secciones transparentes del bisel tienen que terminarse hasta una superficie con calidad clase A en el núcleo y en la cavidad.

Un pequeño taller que es grande en el mecanizado cero stock
Eifel y Redoe están comprometidos con el mecanizado cero stock. Sin embargo, cada taller ha implementado este concepto a su estilo. La mayor diferencia radica en la estrategia de mecanizado que se ajusta a cada taller.

En Eifel, el mecanizado cero stock se convirtió en “una forma de vida” hacia 2005, dice Hecker. Él se familiarizó con el concepto pocos años antes por medio de la empresa Single Source Technologies ―SST― (SST fue pionera de esta estrategia hace 12 años y dio a conocer el proceso a muchos talleres de moldes, incluidos Eifel y Redoe).

Dos centros de mecanizado vertical de cinco ejes de Hermle representan los principales recursos de Eifel para el mecanizado cero stock. Un modelo C40 fue instalado en 2008; otro modelo C30, un poco más pequeño, se instaló en 2011. La nueva máquina cuenta con sistema refrigerante de alta presión a través del husillo, una característica que ha probado ser valiosa para el fresado y el taladrado usando la última generación de cortadores de carburo recubiertos y con agujeros de refrigerante. Por lo demás, las máquinas son similares. Ambas ofrecen una mesa rotativa en un Trunnion soportado en ambos extremos para el cuarto y quinto ejes.

“Escogimos estas máquinas por su gran precisión y rigidez”, dice Hecker. La configuración estilo Trunnion es especialmente importante en Eifel porque el taller prefiere usar el mecanizado 3+2 mientras sea posible. En este modo, los ejes rotativos son usados para orientar la pieza de trabajo de modo que el corte puede desarrollarse en tres ejes (X, Y y Z).

Según Hecker, el mecanizado 3+2 resulta ideal para moldes con bolsillos pequeños, profundos y muchos cortes inferiores. Uno de los principales beneficios es ser capaz de alcanzar características de la pieza de trabajo con un ensamble de herramienta de corte más pequeña y más rígida. Una herramienta más corta y rígida mejora las técnicas de mecanizado de alta velocidad (HSM) en el corazón del concepto de mecanizado cero stock. El HSM involucra cortes livianos a altas tasas de avance con saltos poco espaciados. “Una herramienta rígida y corta soportará tasas de avance más altas sin deflexiones, de modo que podemos alcanzar la carga óptima de viruta a la profundidad de corte ideal, incluso para cortadores de menos de 1 mm de diámetro”, anota Hecker. Esto también le ayuda al taller a obtener la máxima productividad de los husillos de 18.000 rpm de estas máquinas.

Por supuesto, la ventajosa estrategia de herramienta de corte inherente al mecanizado 3+2 es soportada por otros prerrequisitos de mecanizado cero stock, como interfaces de herramental HSK y sujetadores balanceados, de ajuste por contracción, como el caso de los sujetadores largos y cónicos estilo Slim-Line, de Haimer USA. Para operaciones de semiacabado y acabado Eifel usa escariadores de nariz esférica. Para cortadores con un diámetro de 0.020 pulgadas y de menos, el taller usa productos NS Tool, de SST. Para cortadores más grandes, el taller le compra a DiJet. La consideración principal se refiere a la precisión del radio de punta (±0.0002 pulgadas es la norma para operaciones de acabado). Los saltos en pases de acabado pueden espaciarse 0.0005 pulgadas.

La confianza de Eifel en el mecanizado 3+2 también tiene implicaciones en la programación CAM. Para todo el mecanizado cero stock, el taller usa el PowerMill, de Delcam. Gary Schulz, gerente CNC del taller, dice que este software tiene características de un valor particular para esta estrategia de mecanizado. Una, dice él, es la variedad de opciones para aproximarse a la superficie de la pieza de trabajo con la herramienta de corte. “Cuando se alcanzan espacios estrechos en el fondo de un bolsillo profundo, su ángulo de aproximación puede ser limitado, de modo que es mejor tener varias opciones. Se trata de proteger el filo de corte de la herramienta cuando hace contacto con la pieza de trabajo”, explica Schulz.

La otra capacidad del software que sobresale es la visualización del modelo de material. PowerMill muestra el material dejado por las operaciones realizadas con el cortador anterior. Esto le permite al programador escoger las opciones para el “mecanizado restante” con el cortador pequeño que sigue. “Esta característica nos ayuda a estar seguros de que este cortador no encontrará material no esperado”, comenta Schulz.

Finalmente, la detección de colisión avanzada provee otra capa de protección durante las operaciones 3+2. Schulz dice que cuando se planea con 3+2 es fácil pensar solo en la superficie de la pieza de trabajo y en la punta de la herramienta, mientras se pasa por alto considerar la geometría cercana y la forma del ensamble completo de la herramienta. La detección de colisión, explica, capta vistas que de otra forma podrían generar rompimiento de herramientas o la rotura de la nariz del husillo.

Moldes grandes, grandes beneficios
Por numerosas razones, el mecanizado cero stock fue adoptado más fácilmente por talleres que manufacturan moldes pequeños. Inicialmente, los talleres que producen moldes grandes y complejos percibieron el mecanizado cero stock como algo riesgoso, difícil y costoso. En Redoe, Leene no estaría de acuerdo con esta evaluación. Sin embargo, los avances en la tecnología de mecanizado han disminuido significativamente el riesgo y la dificultad del mecanizado con cero stock en piezas de trabajo grandes.

En su taller él puede señalar dos centros de mecanizado horizontal de seis ejes MCC 2013, de Makino, como un ejemplo de ello. Estas máquinas son la pieza central de la capacidad de Redoe para finalizar grandes núcleos y cavidades de moldes hasta una condición que requiere poco o ningún trabajo manual posterior. “Estas máquinas mantienen una tolerancia de ±0.001 a 0.002 pulgadas en todo el día —afirma Leene—. Esta extrema pero confiable precisión nos permite acelerar la producción de los moldes y reducir drásticamente el tiempo de revisión”.

En Redoe, el mecanizado cero stock significa cortar superficies críticas de moldes a una condición negativa de 0.001 pulgadas —esto es, precisamente, “una décima” bajo la geometría definida en CAD—. Esto se debe al tamaño de los moldes que produce Redoe. “Con frecuencia necesitamos cortar con herramientas de 15 o 18 pulgadas de largo, de modo que podemos esperar una ligera deflexión. Cortar a una condición negativa permite esa deflexión, si es que se presenta. Además, los insertos y elevadores tienen una gran probabilidad de caer en su lugar sin ajuste cuando se corta por debajo en 0.001 pulgadas. Es un punto clave para nosotros”, explica Leene.

Una condición de material negativo también habla de la confianza que él tiene en la precisión de estas máquinas. Aunque este enfoque incrementa la posibilidad de llegar a superficies por debajo de la tolerancia aceptable, Leene no se preocupa. “Con estas máquinas nunca hemos tenido una situación donde hayamos necesitado soldar”, dice, refiriéndose a la práctica de soldar una capa de nuevo material para construir una superficie que se vuelve a mecanizar como procedimiento correctivo.

El primer MCC2013 de Redoe fue instalado en 2007. Esta máquina marca la transición del taller al mecanizado horizontal de componentes de moldes grandes. La configuración horizontal probó ser ventajosa porque ofrece mejor evacuación de viruta, un cambiador de herramientas más grande, más espacio para diversos alistamientos y menores alistamientos para cada molde, porque provee acceso a múltiples caras del trabajo.

Pasarse al mecanizado horizontal también motivó al taller a explorar sujeciones de piezas de trabajo más flexibles. Mientras para Eifel la sujeción magnética es ideal en pequeños trabajos en centros de mecanizado vertical, Redoe necesitó un sistema de fijación integrado y modular en una escala que permitiría el alistamiento de trabajos más grandes de forma más rápida, precisa y repetitiva. La respuesta fueron los componentes de fijación FCS System, que usan puntos precisos de referencia para asegurar un posicionamiento preciso y repetible.

Distribuido en Norteamérica por SST, el sistema FCS consta de una placa base con una grilla común de agujeros de localización que interactúan con postes de montaje modular añadidos a la base del molde en una posición vertical. Los anillos de sujeción en los postes aprietan en los agujeros de localización para brindar una ubicación positiva. Los postes también sujetan la base del molde lejos de la mesa para mejorar el espacio libre del mecanizado en cinco ejes. El soporte para implementar pallets abre la vía a una mayor automatización en el futuro.

El segundo MCC2013 fue instalado a principios de 2011. La diferencia notable con la máquina original de su clase es la tecnología Makino VG (geometría variable) para la capacidad de seis ejes. En este caso, el sexto eje es una mesa rotativa incorporada, que tiene la misma precisión y rigidez, pero añade más flexibilidad. El acceso mejorado a las características del molde, de particular importancia para Redoe, es un gran beneficio, asegura Leene. Por ejemplo, con el fin de llegar a esquinas profundas la máquina puede programarse para indexar el eje B, además de rotar los ejes A y C. En efecto, esto inclina las paredes lejos del lado de la herramienta, no muy distinto a la maniobra que uno podría usar para ladear un recipiente delgado de modo que el pincho pueda alcanzar la última oliva en el fondo.

Además, el diseño de un extremo de la estructura de soporte da mejor accesibilidad, de modo que una longitud más corta de herramienta podría usarse en sitios con esquinas profundas. “Esto es necesario por la rigidez requerida para mantener la precisión que necesitamos en secciones difíciles y profundas para el mecanizado negativo de material”, explica Leene. Otra ventaja del VG de seis ejes es el alcance de 11 pulgadas fuera de la gran articulación. En máquinas multieje típicas, esta distancia, mucho más corta, causa interferencia y requiere ensambles con herramientas más largas.

“Aquí el principal beneficio es la mayor productividad. Nosotros podemos mantener esta máquina cortando 24 horas al día, siete días a la semana”, comenta Leene.
Otro aspecto notable de la estrategia de Redoe para el mecanizado cero stock es la decisión de reservar los últimos MCC2013 para operaciones de semiacabado y acabado, principalmente. “Podríamos hacer desbaste en estas máquinas, pero en su lugar optamos por usar una fresadora perforadora Toshiba con mayor torque y menor velocidad de husillo”, dice Leene. Una razón para adoptar esta estrategia es que el sistema de sujeción FCS minimiza el tiempo de cambios sin reducir la precisión del posicionamiento cuando se mueve el trabajo de una máquina a otra.

Por supuesto, Redoe se adhiere a las disciplinas en las herramientas de corte y la capacidad de programación CAM requeridas por el mecanizado cero stock. Las herramientas de corte de 3 mm y de menor diámetro son suministradas por NS Tool, mientras OSG Tap & Die provee los cortadores más grandes. En la programación, el taller usa la herramienta CAM de CGS North America para superficies de moldes que requieren un acabado con calidad óptima. La fortaleza de este producto CAM, según Leene, es la carga de viruta consistente que mantiene en pases de acabado de alta velocidad. Generalmente, estos involucran un cortador de nariz esférica de 2 mm haciendo saltos espaciados entre sí de 0.0015 a 0.002 pulgadas. La programación restante para las máquinas de cinco ejes es manejada en el taller con PowerMill de Delcam.

Filosofía común
No resulta exagerado decir que el mecanizado cero stocks es un “estilo de vida” para un taller de moldes. Detrás de este estilo de vida está un conjunto de principios filosóficos que Hecker y Leene están de acuerdo en denominar como esenciales. Estos principios encajan en tres categorías: recurso humano, procesos y tecnología.

- Recurso humano
El personal del taller debe tener total confianza en su capacidad colectiva de producir superficies de moldes casi perfectas. Nadie en el equipo de producción puede albergar dudas o no tener certeza de los resultados, de lo contrario esto sería muy riesgoso.

Los operadores de máquina y los programadores deben confiar uno en el otro con base en la comunicación y el respeto mutuo por sus habilidades y experiencia.
Cada miembro del equipo tiene que tomar la responsabilidad de maximizar la salida de los recursos de producción, incluido el uso completo del mecanizado desatendido.

Tiene que haber un entendimiento universal de que técnicas avanzadas como el mecanizado cero stock representan la mejor estabilidad laboral, porque ellos son esenciales para competir globalmente en precio y entrega. Cada uno en el taller es parte interesada.

- Proceso
Producir superficies de moldes que necesitan poco o ningún tratamiento después del mecanizado requiere un enfoque por sistemas. Todos los componentes del proceso deben empalmar suavemente. No puede haber eslabones débiles.

La precisión y suavidad de las superficies de moldes mecanizadas dependen de la precisión inherente de cada paso del proceso: desempeño de la máquina de alta precisión, comandos de patrones de herramientas de alta precisión y radios de punta de herramientas de alta precisión.

La elevada productividad es una prioridad. El mecanizado cero stock acelera la manufactura del molde significativamente sin aumentar la plantilla del taller.

- Tecnología
Contar con el equipo correcto (máquina-herramienta, cortadores, software CAM y sujetadores de piezas) es un requerimiento que no puede comprometerse.
Invertir en el juego completo de componentes de tecnología puede y debe estar justificado como un paquete basado en los ahorros totales en el proceso de producción del molde completo.

La tecnología no es estática. El taller de moldes comprometido con el mecanizado cero stock tiene que estar mirando todo el tiempo el siguiente nivel con los últimos avances y esperar que la inversión sea continua.

Aplicar la automatización es esencial. Nivelar horas-hombre con tecnología automatizada para maximizar la productividad del sistema constituye una prioridad.

Moldear el futuro
Por su naturaleza, el mecanizado cero stock necesita una concentración intensa en el momento actual. Mantener las sinergias que surgen por la convergencia de tecnología avanzada requiere vigilancia. No obstante, Leene y Hecker están muy enfocados en el futuro. Cada uno tiene una clara idea de lo que su taller necesita hacer a continuación. Sus planes involucran más automatización para aumentar la productividad de máquina sin incrementar la mano de obra. Específicamente, Redoe está preparando el estudio del retorno de la inversión para otro MCC2013VG de seis ejes. Por su parte, Eifel está buscando una nueva instalación con espacios amplios con el fin de organizar las máquinas para un mejor flujo de trabajo y para ubicar los sistemas de pallets.

Lo destacado es que ambos talleres creen que la manufactura de moldes en Norteamérica sí tiene un futuro. Keith Kauzlerich, vicepresidente de SST, dice que está confiado en ver estas compañías locales recuperando competitividad mundial. “Estoy viendo, nuevamente, compañías entusiasmadas con el futuro de esta industria. Hace diez años, los talleres de moldes eran claramente una especie en vías de extinción. Los que han sobrevivido han evolucionado hacia operaciones más fuertes y ajustadas —dice—. El mecanizado cero stock es un proceso basado en una tecnología que les permite a las compañías pensar la producción como una herramienta personalizada. Es una de las adaptaciones clave que ha hecho posible esta notable transformación”.

Más importante aún, este enfoque crea un ambiente de taller en el que una fuerza de trabajo capaz puede sentir su poder y vitalidad. “Es el tipo de estilo de vida de taller que está atrayendo a una nueva generación de jóvenes talentos a la producción de moldes”, dice Hecker. Finalmente, esa es la renovación de la cual depende todo el futuro.

© 2012. Modern Machine Shop. Derechos reservados.
© 2012. Metalmecánica Internacional. Derechos reservados sobre la versión en español.