Sistemas integrados de manufactura aplicado al mecanizado de moldes

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El aspecto más notable de la "supercelda" de The Tech Group no es que esté en camino de convertirse en uno de los sistemas de producción de insertos para moldes más automatizados y técnicamente más avanzados del mundo, sino que la supercelda está siendo replicada por los socios de la compañía en el extranjero.

Este es uno de los desarrollos que da a la compañía de Arizona una capacidad global para ganar el negocio de moldes de sus clientes, muchas de cuyas plantas están alrededor del mundo. Con el fin de implementar esta estrategia, The Tech Group y sus contrapartes internacionales han tenido que hacer cambios radicales en la filosofía y en el proceso de producción de moldes. En la búsqueda de máxima automatización, la organización entera ha cambiado de moldes realizados con especificaciones particulares por maestros fabricantes, a insistir en la manufactura estandarizada de moldes, coordinada por un equipo manejado por ingenieros. La estandarización, en cambio, ha impuesto algunas disciplinas innovadoras pero exactas, tales como el uso único de una bola herramienta paletizada que ayuda a garantizar consistencia sin importar dónde haya sido realizado el trabajo.

El esfuerzo está lejos de terminar. The Tech Group afronta aún fuertes retos - algunos culturales y otros técnicos -. Las fuerzas de trabajo a ambos lados del océano reciben entrenamiento casi todos los días. Algunos aspectos técnicos tienen que ser resueltos, especialmente en el área de integración total de hardware y software. Todos estos retos se conjugan en un solo aspecto: acostumbrarse a profundizar, pero en constante cambio.

Una supercelda aquí, una supercelda allá
La supercelda original toma forma en el Customer Engineering Center, en la sede principal de la empresa en Scottsdale. La supercelda tiene varias subceldas a cada lado de un corredor central. Una subcelda, por ejemplo, consta de dos electroerosionadoras de penetración (sinker) servidas por un robot y un carrusel. Otra subcelda similar consta de dos centros de mecanizado para el fresado de alta velocidad de grafito y acero. Esta subcelda también está equipada con un robot y un carrusel. A su vez, una celda robótica de rectificado está en operación.

Eventualmente, la supercelda constaría de ocho subceldas asistidas robóticamente -cuatro en cada lado del corredor-. Cuando esté completa, la supercelda incluirá electroerosionado de penetración y de hilo, fresado duro, fresado de cinco ejes, rectificado de superficies, rectificado vertical, rectificado de diámetros interiores y exteriores, torneado con subhusillo y herramientas activas, grabado con láser e inspección en una máquina medidora de coordenadas. Un robot maestro con su propio carrusel se desplazará arriba y abajo por el corredor central, transfiriendo trabajo de una subcelda a otra. Una zanja cubierta y otras utilidades están listas para ser instaladas. Este robot maestro será el aspecto más innovador de la celda.

"Materia prima entra, piezas terminadas salen". Así describe Len Graham la última visión de la supercelda. "El objetivo es la automatización total", dice. Graham, director de ingeniería de herramientas en The Tech Group, es la mente maestra detrás del diseño y la construcción de la supercelda, que se espera tener totalmente terminada en dos o tres años.

Mientras tanto, una supercelda similar construye el socio de manufactura de The Tech Group en Singapur. Aunque esta supercelda no será una réplica exacta de su prototipo en Scottsdale, tendrá virtualmente la misma capacidad. Varias subceldas robóticas están en operación total en Singapur, incluida una subcelda de electroerosión por hilo. (La electroerosionadora de hilo en la celda de Scottsdale espera su robot y carrusel).

Una capacidad adicional de producción de moldes desarrolla el socio más nuevo en manufactura de The Tech Group: Chi Wo Plastic Molds Factory, en Zhongshan, China. Al principio, esta planta no tendrá una supercelda, pero en cambio se centrará en la producción en masa de componentes estándar para moldes, que irán como piezas de inventario a los de otras plantas del grupo.

La tercera supercelda está planeada para Europa, probablemente en un taller de moldes socio, cerca de la planta de moldes de la compañía en Irlanda.

El concepto de supercelda del cual es pionero el ingeniero Graham en Scottsdale y Singapur está basado en un principio simple: lo último en automatización proporciona producción más rápida, más alta calidad, gran consistencia y el precio más bajo. "Cuando consigue ese grado de automatización, no importa donde esté localizada la supercelda - dice Graham -, usted puede competir con la calidad, el tiempo de entrega y el precio de cualquiera".

Así, ¿por qué asociarse con productores de moldes en Asia? ¿Por qué duplicar superceldas en Singapur o Europa? Como afirman los gerentes de The Tech Group, es una necesidad estratégica.

El imperativo global
Bill Gerard, quien supervisa el grupo de herramientas de Len Graham como vicepresidente de ingeniería en The Tech Group, explica: "El grupo empezó en 1967 como fabricante de herramientas para moldes de inyección de plástico. Nuestra especialidad se convirtió en moldes complejos para aplicaciones de alta producción, especialmente en dos áreas: bienes de consumo y electrónica, por un lado, y productos farmacéuticos y para el cuidado de la salud, por el otro".

En la última década, estas áreas han estado dominadas por compañías multinacionales que sirven mercados en una base global. "Tienden a producir en múltiples sitios para alcanzar mercados de todo el mundo. Las piezas de plástico moldeadas en un continente tienen que ser intercambiables con piezas moldeadas en otro continente. Estas compañías quieren herramientas de moldear con insertos intercambiables, sin importar de qué continente vengan o hacia cuál vayan", afirma Gerard.

Al mismo tiempo, dice él, una fuerte competencia alrededor del mundo produce presión constante sobre estas compañías para reducir los costos y mantener nuevos lanzamientos de productos. Por esta razón buscan fabricantes de herramientas que les puedan ofrecer cortos tiempos totales, precios competitivos y alta precisión. De acuerdo con Gerard, sólo un pequeño porcentaje de fabricantes puede producir la alta calidad, la intercambiabilidad total y la cavitación media a alta en moldes de esta categoría, especialmente en aplicaciones en las que deben operar a velocidades relativamente altas, con grandes volúmenes de producción y bajo mantenimiento.

Gerard concluye: "Este es el nicho que queremos llenar -para atraer y retener clientes en todo el mundo que requieran herramental de esta naturaleza-". Para ser el proveedor preferido de estos clientes, The Tech Group debe tener capacidades de producción de moldes en cualquier parte que se necesite. "Justo ahora esto ocurre en Estados Unidos y Asia, pero especialmente en Asia porque es el mercado de más rápido crecimiento de moldes para inyección de plásticos".

Logrando consistencia de cavidad a cavidad, inserto a inserto, molde a molde y continente a continente, The Tech Group vio la oportunidad de distinguirse de los otros talleres de moldes en este sector, aun cuando la compañía mantiene la tendencia a ofrecer tiempos de proceso más cortos y precios más competitivos.

Hace unos cinco años, The Tech Group tomó la determinación de ir en esa dirección.

El mandato de la automatización
Para Graham, como director de ingeniería de herramientas, este enfoque implicó una estrategia con dos frentes. "Teníamos que automatizarnos y debíamos hacerlo a escala global". Para lograr este propósito, se requería una transformación radical del proceso completo de producción de moldes. Aunque el concepto de supercelda se ha convertido en la pieza central de este enfoque, tal como lo concibió Graham, algo más que el mecanizado de insertos tenía que ser automatizado. Más aún, la compañía tenía que definir la forma de desarrollar un socio extranjero que quisiera y pudiera hacer la misma transformación.

Graham explica que la automatización es la clave del incremento de la producción -hacer más trabajo en menos tiempo sin aumentar el personal-. A su vez, la producción incrementada significa tiempos de entrega más cortos y menor costo, dos de los requisitos más importantes de los clientes. Sin embargo, la automatización requiere estandarización -hacer las cosas de la misma manera una y otra vez en lugar de hacer cada cosa de una única y especial manera-. En el momento en que The Tech Group inició su cambio, un buen número de talleres de moldes estaban identificando el valor de la automatización, particularmente para los moldes multicavidades. La experiencia previa de Graham en otro taller incluía la instalación de varias celdas robóticas para automatizar la electroerosión, porque él ya había visto de primera mano sus posibilidades y beneficios.

Sin embargo, Graham reconocía que este grado de automatización era únicamente un buen comienzo para lo que The Tech Group tenía en mente. Él creía que era necesario un grado de automatización mucho más alto y más generalizado. En un frente, la compañía empezó a analizar el proceso de fabricación de moldes del principio al final. Identificó las actividades que podían ser estandarizadas, acortadas y automatizadas.

Mientras tanto, en otro frente, desarrolló una relación con Omni Mold Ltd., un taller de gran trayectoria de Singapur. Como socios, el Customer Engineering Center en Scottsdale y Omni Mold podían avanzar juntos. Por lo general, primero se ensayaban nuevas ideas de proceso, se refinaban y documentaban en Scottsdale y luego se implementaban de manera rápida en Singapur para mantener estrictamente a la par las dos organizaciones. La compañía también decidió, en ese momento, que el diseño de moldes y la ingeniería deberían mantenerse centralizados por mucho tiempo con el dominio del Customer Engineering Center.

Lo que emergió en los años siguientes es caracterizado por Graham como "manufactura de precisión, modular, automatizada y global". En esta transición, según Graham, casi todos los involucrados tenían que tomar un nuevo rol, adquirir nuevas habilidades y adaptarse a una nueva forma de ver lo que la compañía trataba de llevar a cabo. "El manejo de los cambios culturales impuesto por el cambio hacia la automatización era un asunto que requería mucha energía, proceso que aún se está llevando a cabo", dice él.

Esencialmente, el taller tiene que migrar de una filosofía de hacer moldes a una de manufactura de moldes. "La fabricación tradicional de moldes se basa en las habilidades y experiencia del fabricante de moldes, pero ese modelo riñe con el alto grado de estandarización requerido por la automatización", anota Graham.

Hemos convertido nuestros maestros fabricantes de moldes en diseñadores de moldes, programadores de máquinas y administradores de proyectos. Esto significa cambiar el énfasis capturando la experiencia del fabricante para utilizarla en la fase de diseño", continúa Graham.

Gerard está de acuerdo. "Aunque los costos de diseño constituyen tan sólo 3 % del costo total de un proyecto, este determina 90 % del costo total de producción", dice él.

El cambio de fabricar moldes a la manufactura de moldes también significa "mecanizar con los números", aclara Gerard. Todas las tolerancias están determinadas en la fase de diseño, y es responsabilidad de los equipos de planeación y de los programadores asegurar que el taller obtenga estos números. Confiar en los números elimina el trabajo de ensayo de la producción de moldes y reduce la inconsistencia. De esta manera se consolida un objetivo estándar para cada operación en el proceso.

"Estamos cambiando del arte de fabricar moldes a la ciencia de la manufactura de moldes", dice Graham. Gerard lo expresa de otra manera: "La manufactura de moldes debe estar orientada por la ingeniería".

Escoger los socios con cuidado
Establecer la filosofía de la manufactura de moldes orientada por la ingeniería, en lugar de fabricar moldes, abrió la posibilidad de que The Tech Group pudiera encontrar socios extranjeros que, adoptando la misma filosofía, pudieran alcanzar un nivel comparable de precios favorables, tiempos totales cortos, alta calidad y consistencia. La manufactura de moldes puede ser difundida globalmente para hacer expedita la programación de entregas, balancear las cargas de trabajo y proveer a los clientes con presencia regional para mantenimiento de moldes y soporte. Pueden fabricarse múltiples juegos de herramientas de moldes para clientes localizados en cualquier parte del mundo.

Cuando evaluaba el potencial de socios extranjeros, el equipo de gerencia de The Tech Group creyó importante que los talleres en estos sitios tuvieran la misma orientación en el negocio. Un propósito financiero en la asociación se convertirá en un fuerte propósito hacia el éxito en la sociedad. La compañía también buscaba un socio con el deseo de alcanzar el grado de tecnología avanzada representado por el concepto de la supercelda y otros sistemas automatizados. En particular, el socio debía tener un firme propósito hacia el entrenamiento. Con el liderazgo del gerente general, Neo Age Seng, Omni Mold impresionó a The Tech Group como la clase de compañía altamente capacitada para afrontar una sociedad de este tipo.

En 1998, The Tech Group adquirió de forma compartida lo que más tarde se convertiría en Omni Mold Singapore (ahora fusionados y con el nuevo nombre de The Tech Group Asia). Posteriormente, esta planta inició la construcción de su propia supercelda. Como su contraparte en Scottsdale, la supercelda de Singapur se construye por fases.

Conducidas por ingeniería
El Scottsdale Customer Engineering Center también constituye un modelo más amplio de cómo debe lucir el taller en el nuevo ambiente "global". Por ejemplo, en el taller contiguo al área de la supercelda, The Tech Group ha creado un centro de respuesta rápida. Este centro es esencialmente un minitaller de moldes autocontenido y totalmente equipado, que puede manejar la mayoría de los trabajos no programados, que no son susceptibles de automatizar. Los cambios de órdenes de ingeniería de último minuto y los trabajos de reparaciones de emergencia llegan aquí. Los moldes existentes también se refaccionan allí.

Sin embargo, los menos vistosos, pero seguramente los más difíciles de alcanzar, son los desarrollos en el diseño de moldes y en el área de ingeniería, que ocupan salones con ventanas hacia el área de mecanizado. En este espacio, los semioscurecidos cubículos iluminados por los brillantes y anchos monitores de los computadores han cambiado poco en apariencia. Pero aquí se encuentran ingenieros de diseño con la mayor experiencia en fabricación y con los conocimientos de cómo construir un molde en la compañía. Sus actividades han sido potenciadas, estandarizadas y unificadas con software de diseño, en el cual un modelo 3D proporcionado por el cliente es la directiva máxima.

Por ejemplo, Jorge Santos es un típico fabricante de moldes que se convirtió en ingeniero de diseño en The Tech Group. Santos adquirió 12 años de experiencia como fabricante de moldes máster antes de hacer la transición hacia ingeniero de diseño. Él dice que trabaja con dos factores constantes en mente: primero, las exigencias de la pieza del cliente, y segundo, la manufacturabilidad del molde en función de lo que el taller puede producir. Su experiencia como fabricante de moldes lo guía en ambas consideraciones.

"Todas las herramientas de diseño que necesito están en el software Unigraphics que uso -dice Santos-. La geometría de la pieza del cliente se ingresa como un modelo 3D, de tal forma que yo no la toco. El ayudante para moldes del software (Unigraphics) agiliza el resto del proceso de diseño". El ayudante para moldes está constituido por una serie de tareas de diseño representadas por iconos en la interfaz de usuario. Haciendo clic en un icono aparece una caja de diálogo que ofrece diferentes opciones o la entrada de dimensiones. Con esta entrada, el sistema aplica rutinas preestablecidas que adicionan un rasgo al molde o un elemento de diseño.

Apoyándose en esferas para mayor consistencia
A escala de taller, la obtención de alta consistencia y de resultados de mecanizados altamente predecibles entre Singapur y Scottsdale se basa principalmente en tres principios.

Las dos plantas siguen idénticos principios de operación y procedimientos. Estos principios y procedimientos, compilados en un fólder, reparten a cada persona en el taller, a los cuales se espera que todos adhieran estrictamente. Las dos plantas tratan de usar el mismo modelo de máquina-herramienta para cada trabajo, siempre que sea posible. Las dos superceldas, por ejemplo, se duplican la una a la otra casi máquina a máquina. Por tanto, en Scottsdale los programas escritos para máquinas pueden ser cargados en Singapur, y es muy posible que puedan ser ejecutados en la máquina equivalente, sin o con muy poca edición. Ambas plantas siguen iguales técnicas para los alistamientos de máquina. La aplicación universal del sistema Macro Tooling de System 3R ha contribuido sustancialmente a esta política. El sistema de herramientas está diseñado para proporcionar referenciamiento de tres puntos altamente repetitivos. El sistema se compone de pallets modulares y fijaciones de localización que pueden ser montados en las mesas de las máquinas, en superficies de platinas, en máquinas medidoras de coordenadas y otras. Los pallets pueden manipularse robóticamente y son usados en todas las máquinas de las dos superceldas. Se utilizan dos tamaños de pallets -40 mm y 70 mm-.

Todos los pallets, sin importar su tamaño, han sido rectificados superficialmente, de tal manera que la altura Z está dentro del rango de 0,0002", pallet a pallet. Sin embargo, la disciplina más llamativa, en las dos plantas, es el uso de bolas herramienta maestras paletizadas. Literalmente, cada alistamiento está centrado en esta práctica. La bola herramienta es una esfera de acero inoxidable de 0,75" con rectificado de precisión, que el taller monta en un alojamiento fijo a un pallet Macro Style. El fabricante de estas bolas herramienta las elabora con estándares metrológicos de calidad de laboratorio (la variación total bola a bola en un lote está certificada en menos de 0,000025"). Estas bolas herramienta están en todo departamento responsable del mecanizado de componentes de molde, en Scottsdale y en Singapur.

"Todas las dimensiones asociadas con los detalles de construcción de moldes y electrodos están dadas según la posición de la bola herramienta -explica Graham-. Los detalles de componentes apilados de electrodos y cavidades de molde son construidos de acuerdo con dimensiones verificadas por la bola herramienta".

Todos los criterios de programación e inspección de máquinas asociados con electroerosión, por ejemplo, están basados en dimensiones bola a bola, centro a centro. Esto es, una bola herramienta paletizada en la mesa de trabajo y una en el husillo están alineadas una sobre la otra para establecer la posición home 0,0,0 del eje. Según Graham, todo el posicionamiento X, Y, Z para cada quema y para todas, está programada a partir de esta posición home. De la misma manera, en un centro de mecanizado con un palpador de contacto, el punto centro de la pieza de trabajo y el punto centro del husillo son alineados calculando el punto central de la bola herramienta. Esto garantiza un alineamiento casi perfecto cuando el palpador es usado para localizar el punto centro del inserto o del electrodo, cuando se fija a la máquina para el fresado.

"Esto aumenta inmensamente la predictibilidad en los cortes o en el terminado de componentes de moldes en cualquier máquina-herramienta CNC que tengamos en cualquier parte del mundo. Es la clave de la consistencia global".

Las técnicas de fijación han sido siempre estandarizadas para operaciones en una supercelda. Todas las máquinas automáticas están equipadas con platinas cama de localización de precisión en mesas de trabajo y platinas de cara estilo System 3R Refix estándar. Todas las prensas, mandriles y fijaciones son montados en subplatinas, de tal manera que pueden ser fácil y precisamente localizadas en posiciones conocidas y registradas en el computador en toda la maquinaria.

Según Graham, los huecos de localización de las subplatinas, lo mismo que los pines de expansión para localización en las fijaciones, son rectificados verticalmente dentro del rango de 0,005 mm (0.0002") uno del otro. De la misma manera, superficies compañeras en los macro pallets son rectificadas dentro de tolerancias similares.

El taller de Singapur sigue exactamente los mismos procedimientos. Como prueba de que son efectivos, Graham menciona situaciones en las que una mitad del molde ha sido fabricada en Scottsdale y la otra en Singapur. Las dos partes fueron ensambladas sin requerir ningún ajuste, aun con líneas de partición escalonadas.

¿Líder o solitario?
Con sus sustanciales y exitosas operaciones de moldes en numerosas localizaciones en Norteamérica, Asia y Europa, The Tech Group está en una posición fuerte para respaldar el desarrollo de la supercelda y de los sistemas de manufactura relacionados. Pocos talleres de moldes independientes podrían justificar una inversión como esta. Sin embargo, la competitividad de los constructores de moldes de Estados Unidos es una preocupación. "Como una corporación -explica Gerard-, nosotros confiamos a los fabricantes externos cerca de un tercio de nuestro herramental, y necesitamos que ellos tengan avances en la tecnología de fabricación de moldes, al igual que nosotros".

Por ejemplo, los desarrollos patentables que resultan del proyecto supercelda, están siendo patentados como propiedad intelectual, pero no con el interés de guardar la tecnología. "Nuestra intención es hacer esta tecnología licenciable, de tal manera que los talleres de moldes puedan tener acceso a ella", explica Gerard.

Esto no implica que las instalaciones tipo supercelda sean la onda en el futuro para los talleres promedio de moldes. La mayoría de los talleres no tiene el volumen de trabajo para automatizar a esta escala, hecho que Graham conoce muy bien. "Sin embargo, piezas importantes del concepto de automatización total han sido desarrolladas aquí y esto beneficiará a otros talleres de moldes que se muevan en esa dirección".

"Trabajar con socios extranjeros no es para todos los talleres de moldes. Los pasos que The Tech Group ha dado en esa dirección han sido controversiales. Ha habido críticas por las inversiones extranjeras en lugar de hacerlas en las capacidades locales de fabricación de moldes. Trasladar la fabricación de moldes a China ha sido un tema especialmente sensible".

Gerard está de acuerdo con Graham, pero adiciona su propia explicación del punto de vista de la compañía: estas sociedades globales constituyen la respuesta a las realidades de la economía global. Son una necesidad competitiva en el sector en el que The Tech Group está determinado a tomar parte. "El nivel de consistencia que podamos lograr en nuestras operaciones globales de fabricación de moldes es vital para los intereses de nuestros clientes".

© Reproducido de Modern Machine Shop con autorización expresa del editor.

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