Mecanizado a 3 Mach

Ahora hay otro paso más allá de este. Existe una opción que logra el mecanizado abrasivo a velocidades aún más altas. Mientras una herramienta de fresado abrasiva en un husillo rápido puede alcanzar una velocidad de corte equivalente a 50 millas por hora, una máquina de chorro de agua abrasivo logra que el abrasivo cruce la pieza de trabajo a una velocidad cercana a 3 Mach. La diferencia es significativa para Airbus.

Para desarrollar aviones más livianos, más eficientes y más durables, Airbus utiliza, cada vez más, materiales compuestos desarrollados para diseños de aeronaves. La estructura del nuevo avión A350 XWB (Xtra Wide Body) tiene más de 50% en peso de materiales compuestos. Los componentes en CFRP incluyen las alas, el fuselaje, la cola, los largueros y las vigas de quilla –todos los cuales son mecanizados con chorro de agua abrasivo–. El fabricante de aviones adjudicó recientemente un contrato a Flow International por US$30 millones para construir máquinas-herramienta multieje con chorro de agua abrasivo, en sus instalaciones de Indiana, para usar en las plantas de producción de aviones en toda Europa.

José Luis Morazo Pérez, líder en la automatización de ingeniería de manufactura del A350 para Airbus, con sede en Hamburgo, Alemania, comenta que las instalaciones de producción de la compañía usan a menudo enrutadores CNC y otras máquinas-herramienta rotativas para mecanizar compuestos. Tales máquinas también fueron consideradas para esta aplicación. Sin embargo, el chorro de agua abrasivo ofreció una clara ventaja económica en la aplicación del A350 XWB. El abrasivo y otros consumibles cuestan menos que las herramientas de corte y otros consumibles comparables que serían necesarios para fresar las partes. El costo del tiempo de máquina también fue menor, porque el corte más rápido significa que la parte gasta menos tiempo en la máquina.

“Esta era la mejor solución económica, considerando costos recurrentes y no recurrentes”, afirma Morazo Pérez.

Él considera que es posible obtener más ahorros al eliminar un paso costoso. Las partes mecanizadas en una máquina rotativa generalmente requieren desbarbado, incluso si las partes se cortan con abrasivo. Pero con el chorro de agua, la acción de corte es mucho más rápida y limpia.

“Nuestra expectativa es que eventualmente podamos evitar la operación de desbarbado”, comenta.

En otras palabras, en lugar de obtener un corte apenas aceptable que evita los graves peligros de delaminación, la compañía ve la esperanza de mecanizar filos lo suficientemente limpios, que permitan considerar terminadas las partes de compuesto tan pronto finalice el corte con chorro de agua.

Chorro de agua en acción
Mark Saberton, ingeniero jefe de Flow International, dice que las ventajas que cita Airbus – cortes más rápidos y evitar daños a la pieza de trabajo– están entre los beneficios principales que los fabricantes de aeronaves buscan al mecanizar compuestos con chorro de agua. Otros de sus beneficios:

• Sin polvo. El polvo fino producido al mecanizar compuestos puede infiltrarse en los controles y otros equipos electrónicos del taller. También ensucia el taller y daña su apariencia. Con el chorro de agua, este polvo es contenido y controlado. En su mayor parte, el polvo es llevado con el agua, de la cual puede retirarse después.
• Sin zona afectada por el calor. La delaminación y la separación de las fibras no son los únicos daños del corte mecánico. Otro es el calor, que podría fundir la matriz de CFRP. Pero el chorro de agua es inherentemente un proceso frío. La generación de calor resulta ligera y el agua se lleva el calor consigo.
• Sin sujeciones rígidas. Un filo no soportado de una pieza de trabajo en CFRP tiende a vibrar durante el fresado. Por esta razón, mecanizar estructuras de compuesto en enrutadores o máquinas similares involucra generalmente un herramental elaborado y diseñado para sujetar cuidadosamente y con rigidez el trabajo en cada filo cortado. Son comunes las fijaciones de vacío construidas con precisión a los contornos de la parte. Pero con el chorro abrasivo, la fuerza de corte es más ligera. La fuerza también empuja hacia abajo, contra el soporte por debajo de la parte. Por eso, mientras a veces se usa la sujeción de trabajos programable, no se requiere el herramental rígido personalizado.

Equipo de aviación
Esa ‘sujeción de trabajos programable’ es una de las varias características que Airbus especificó para permitir adaptar sus máquinas de chorro de agua a las necesidades particulares de partes de aeronaves complejas. El trabajo es soportado sobre un sistema de cabezal flexible que consiste en un arreglo de efectores parecido a una cama de agujas. La posición vertical de cada efector se ajusta independientemente, de modo que el arreglo completo puede seguir los contornos de la pieza. Cambiar de las posiciones de un número de pieza a las posiciones programadas del efector para una pieza diferente toma sólo unos dos minutos, comenta Saberton. Esto se compara muy bien con las horas que podían requerirse para mover una fijación personalizada fuera de la máquina y reemplazarla con otra fijación rígida. Morazo Pérez dice que Airbus cuestionó originalmente esta solución para sujeción de piezas (preocupándose en particular por si el herramental flexible permanecería arriba todo el tiempo con el chorro de agua). Luego, la compañía decidió visitar talleres que usan sujeciones de partes programables similares en máquinas de chorro de agua en Estados Unidos.

Otras características de máquina particulares al mecanizado con chorro de agua abrasivo para aeronaves incluyen:


• Boquillas laterales. Las membranas de aviones pueden incluir pequeñas costillas y travesaños que impiden el acceso. La capacidad de la máquina de cambiar a una boquilla que redirija el chorro hacia el lado puede ser útil para cortar en estos espacios estrechos.
• Sujetador en C. Los contornos de estructuras de aviones pueden doblarse hacia atrás sobre sí mismos, y el chorro de agua que sale del corte podría golpear alguna otra superficie de la parte. Para prevenir esto, un sujetador en C (véase foto) puede interceptar el lado de salida del chorro. Un consumible en el interior de este dispositivo absorbe la energía del chorro, de modo que el agua puede capturarse y recuperarse.
• Husillo rotatorio. Como indicó Airbus, el mecanizado con herramientas rotativas sigue siendo útil en muchas aplicaciones con compuestos. De hecho, ciertas características deben ser mecanizadas de esta forma. Mientras el chorro de agua puede mecanizar un agujero, por ejemplo, no puede mecanizar un avellanado. Por esto, algunas máquinas de chorro de agua abrasivo incorporan husillos rotativos para necesidades como esta. El husillo rotativo también es útil para marcar herramientas.

Saberton dice que otra ventaja, incluso más significativa que tener un husillo disponible, es que le permite a la máquina usar una sonda. Esto puede facilitar una mayor consolidación de los pasos, haciendo que la máquina de chorro de agua inspeccione por sí misma la parte antes de que abandone la máquina.

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