Fabricación de piezas aeronáuticas en menos pasos

En este artí­culo el autor presenta cómo las nuevas tecnologí­as, como los equipos para mecanizado en cinco ejes y los sistemas hí­bridos con impresión 3D, permiten garantizar el cumplimiento de esta ecuación.

En la industria aeronáutica, el mecanizado de piezas mecánicas está lleno de requerimientos de la mayor calidad y, debido a la presión de costos, los fabricantes siempre se encuentran en la búsqueda de procesos de manufactura más productivos. Las piezas, gracias al uso de materiales basados en fibra de carbono y una proporción mayor de aleaciones de titanio, se vuelven más livianas pero también más difí­ciles de mecanizar. Esto les presenta a los fabricantes aeronáuticos nuevos retos. Una tendencia adicional es la del incremento en las temperaturas dentro de las turbinas que aumenta la eficiencia del uso del combustible. Esto hace que los materiales desarrollados, en la mayorí­a súper-aleaciones en base ní­quel, tengan problemas para su manufactura con métodos tradicionales. Poder mecanizar estos productos requiere experticia y maquinaria de última tecnologí­a.

Según los pronósticos del mercado global reportados por Airbus, hasta 2030 el mercado mundial demandará cerca de 28,000 aviones comerciales nuevos, haciendo que el número de estos aparatos existentes a 2030 alcance las 35,000 unidades. Esto en contraste con la cifra del año 2010 en la que la flota mundial contaba con 16,600 aviones de pasajeros y de carga.

Esto presenta evidentemente un gran potencial para las empresas proveedoras de partes aeronáuticas establecidas en Latinoamérica. Siguiendo el caso mexicano y según el informe para la Industria Aeronáutica en México de 2012, entregado por la Secretarí­a de Economí­a en su dirección general de industrias pesadas y de alta tecnologí­a, las mayores oportunidades para el mercado en México están en su desarrollo para proveedurí­a de subsistemas y partes, en el mercado de reparación y mantenimiento, el desarrollo de proveedores locales, al igual que en el diseño e innovación de partes y procesos.

Benito Gritzewsky, en su momento presidente de la Federación Mexicana de la Industria Aeroespacial (Femia), aseguró que la expectativa para 2016 es que el sector aeroespacial cerrase con un valor de USD 7,500 millones. Hoy en dí­a se fabrica en México una gran cantidad de partes, ensambles y subensambles. Estos incluyen ensambles de arneses y partes para interiores de avión, válvulas, sujetadores, sistemas para estructuras de fuselaje, e incluso piezas crí­ticas para turbinas, trenes de aterrizaje, estabilizadores, entre muchas otras.

Para aumentar esta oferta decidida y eficientemente, las empresas deben cumplir con el principal objetivo de la norma AS9100 (o sus equivalentes europeos o japoneses), el cual consiste en garantizar que las partes puedan ser fabricadas de manera continua, eficiente y siguiendo las especificaciones con un mí­nimo de variación que garantice la seguridad de los sistemas y las estructuras aeronáuticas. Este proceso se aplica a todos los niveles, desde las piezas fundidas y forjadas hasta ensambles completos fabricados tras largas cadenas de manufactura.

---

Conozca proveedores de herramientas especializadas para taladrado:

• SANDVIK COROMANT
• DORMER PRAMET
• WALTER TOOLS
• FIVES GRINDING
• SECO TOOLS

---

Por tal razón, los fabricantes de piezas aeronáuticas deben pensar en la capacidad que tienen de controlar su cadena de manufactura de la manera más completa posible. Para esto tienen que minimizar la cantidad de errores que se puedan generar al trasladar la pieza de una máquina a otra. Existen dos tendencias principales en esta área. Por un lado, hay cada vez más opciones de automatización que permiten que, con la ayuda de sistemas de referencia cero, las piezas fresadas o torneadas se puedan trasladar a máquinas de electroerosión, de texturizado láser, rectificado u otro, para su trabajo posterior garantizando incertidumbres de posicionamiento generalmente por debajo de los 3 µm.

La otra gran tendencia es la del uso de máquinas que combinan varios procesos en una misma plataforma. Las de mayor presencia en el mercado son las que combinan procesos de corte, como las fresadoras con capacidad de torno, o los centros basados en torno con diferentes combinaciones de torreta que permite incluir husillos de fresado.

Un caso aún más avanzado es el de máquinas que pueden realizar procesos de corte y fabricación aditiva de metales en una, como las de la serie AM de Mazak en sus versiones Integrex (centro de mecanizado basado en torno) y Variaxis (centro de mecanizado basado en fresa). Otro fabricante activo en el área es el alemán DMG Mori, que fabrica su serie de maquinaria Lasertec de fresado en 5 ejes, asistida por procesos de deposición de metal por fundición láser localizada.

Un ejemplo adicional de tecnologí­as de procesamiento combinado es el mecanizado con asistencia ultrasónica que posibilita el trabajo de corte de manera eficiente y segura de materiales de alto desempeño como los compuestos reforzados con fibras de carbono. Esto se vuelve cada vez más relevante, debido a que aparte de la producción en serie de piezas en materiales compuestos se está generando una mayor demanda de posibilidades de trabajo automatizado para el acabado, mantenimiento y reparación de materiales reforzados con fibras en el mercado aeronáutico de manera definitiva.

5 ejes: menos tiempos muertos y set ups

La empresa WFL de Austria presenta su servicio de “mecanizado completo” con maquinaria multitarea basada en torno, que puede fresar hasta con 5 ejes interpolados para la fabricación de piezas complejas. Según los fabricantes, estas máquinas permiten compensar la deflexión que sufren las partes durante el mecanizado debido a las fuerzas de corte, para alcanzar niveles de precisión muy altos. Incluso, gracias a la presencia de escalas de vidrio en sus ejes, la máquina se ofrece con ciclos especiales de medición entre una etapa del proceso y otra, por ejemplo, entre el preacabado y el acabado, para compensar posibles diferencias con respecto a la geometrí­a deseada y producir partes de excelente calidad dimensional. La medición durante el ciclo con probadores de medida especí­ficos para la aplicación, con corrección automática y documentación directa, es clave para lograr una mayor estabilidad de proceso en el caso de piezas aeronáuticas.

En el campo aeronáutico, proveedores como DMG Mori aseguran que usando tecnologí­a multitarea de fresado y torneado en una sola máquina se incrementa la productividad en hasta 300% apoyados, entre otros, en plataformas de máquina de alta respuesta dinámica, sistemas optimizados de evacuación de viruta, identificación y manejo en lí­nea de herramientas y estabilización térmica.

Según Michael Kirbach, director del Centro de Excelencia Aeroespacial de DMG Mori, en Pfronten, Alemania, los costos de fabricación hoy en dí­a se tienen que adaptar a ciclos de vida mucho más cortos que antes. Durante uno de los encuentros de usuarios de su Centro de Excelencia, Kirbach presentó resultados de varios casos de estudio realizados para empresas entre los que se destaca uno para Rolls-Royce dedicado a la optimización de la fabricación de un disco para una hélice de una turbina.

Se reportó que el proceso tardaba 47 horas de mecanizado en nueve etapas, con tres máquinas distintas, sin sistema de automatización, ni control estadí­stico de procesos (SPC, por su abreviatura en inglés). Con el objetivo de fabricar estos discos para hélice en 8 turbinas de manera automática, reduciendo tiempos de mecanizado y tiempos no productivos, al igual que incrementar la calidad, la empresa decidió utilizar una máquina DMC 125FD duoblock con la cual redujo 25% el tiempo de mecanizado y 40% el tiempo muerto. La cadena de fabricación se redujo a cuatro pasos con una sola máquina, llegando a un porcentaje de éxito de 99,6% para hacer la pieza bien en el primer intento, una trazabilidad de proceso de 100% y una capacidad de proceso Cp/Cpk de 1,33.

En efecto, la adquisición de datos en lí­nea para soportar trazabilidad y certificación de sus procesos de manufactura es indispensable para cumplir con los requerimientos de fabricación de piezas aeronáuticas.

---

Conozca los proveedores de tecnologías para optimizar procesos:

• HERRAMIENTAS: WALTER TOOLS
• HERRAMIENTAS: DORMER PRAMET
• SOFTWARE: DASSAULT-SYSTEMES
• SOFTWARE: MASTERCAM
• ACCESORIOS: EMUGE
• METROLOGÍA: RENISHAW

---

Otro ejemplo presentado por Kirbach documenta el mecanizado de un soporte de titanio (Ti-6-Al-4-V) fabricado en un proceso de cuatro configuraciones de pieza, con bajos niveles de eficiencia de mecanizado durante el desbaste y el acabado. La empresa solucionó el problema trabajando con una DMU100 P duoblock de husillo con caja de engranajes de alto torque y un paquete de mecanizado de alto desempeño. Con esto se pudo reducir el tiempo de mecanizado en 40%, pasar a solo dos configuraciones de pieza y se llegó a un acabado con una calidad superficial final de 0.3 µm en una sola máquina.

Este último es un tema poco discutido, pero de la mayor importancia. Se trata de la capacidad de la máquina de desbastar grandes cantidades de material de manera segura y eficiente y en la misma configuración alcanzar, en el paso de acabado, rugosidades superficiales en décimas de micrómetro. Esto tiene no solo que ver con la velocidad del husillo sino con la rigidez estructural de la máquina y del ensamble, al igual que de la capacidad de su control numérico para generar el posicionamiento dinámico correcto de la herramienta en cada movimiento de corte.

Lo anterior se vuelve aún más crí­tico en procesos de mecanizado en 5 ejes, donde la interpolación debe incluir el cálculo de la inercia rotacional de la pieza de trabajo, que puede causar inexactitudes al moverse a alta velocidad. Todo esto tiene efectos además en la reducción de la vida útil de las herramientas, que pueden estar sometidas a esfuerzos no esperados debido a cambios súbitos en la profundidad de corte en sus flancos.

Para el caso de desbaste de grandes cantidades de material en poco tiempo, fabricantes como DMG Mori ofrece opciones en las que se activan hidráulicamente un conjunto de zapatas de amortiguación en los ejes lineales, al igual que usa husillos de engranajes con torques de hasta 1,100 Nm. Esto permite que se logren tolerancias de posicionamiento mucho mejores en trabajos de 5 ejes simultáneos con una sola configuración de pieza, mientras se complementa la reducción de tiempos muertos con sistemas de paletas intercambiables automatizados, lo que aumenta aún más la productividad del proceso para las piezas aeronáuticas.