Mecanizado de cinco ejes: más que un lujo, una necesidad para la región

Uno de los mayores efectos de la crisis económica en los países europeos es la tendencia de su industria automotriz hacia la racionalización de la fabricación y su traslado parcial a mercados emergentes. Esto lo reveló la encuesta Global Automotive Executive de KPMG de 2015, en la cual, además, se revela como mayor tendencia, la del crecimiento de nuevos mercados hasta el año 2025. Dada la ampliación de la capacidad adquisitiva del mercado latinoamericano, con un crecimiento poblacional esperado como el tercero más grande después de África y Asia para el año 2050, las grandes multinacionales automotrices están invirtiendo fuertemente en ampliar su capacidad de producción. Entre los países de lengua hispana, México ha recibido la mayor parte de la inversión en proyectos de fabricación de partes y de ensamble automotor, gracias al impulso generado por la política de generación de clústeres especializados que posibilitan la proveeduría Just-in-time, de igual forma que en países industrializados como Alemania. Es tal el dinamismo actual de la industria en este país, que en el año 2014, además de la planta de producción de Audi, se anunció la construcción de otras tres plantas (BMW, Kia Motors y Mercedes-Benz/Infiniti), lo que según Eduardo Solís, presidente ejecutivo de la AMIA (Asociación Mexicana de la Industria Automotriz), en entrevista concedida al portal Cluster Industrial, haría que México tuviera una capacidad de producción de cinco millones de autos al año para 2020.

Uno de los grandes retos para la industria metalmecánica mexicana y latinoamericana en general, es el de ser capaces de cumplir con las tasas de producción que se esperan, con excelentes niveles de calidad. De esto depende que el porcentaje de partes importadas para el ensamble de un automóvil se reduzca del nivel actual ―70% en promedio― a valores mucho menores. Aún más, un objetivo claro debería incluir el de pasar de ser fabricantes de piezas para proveedores de niveles 2 y 3 (Tier 2 y 3), donde actualmente reside la mayoría del potencial, a poder ofrecer componentes directamente a productores Tier 1. Entre los numerosos aspectos que influyen en el alcance de estas capacidades está el del aumento notable de la capacidad de producción de piezas de alta complejidad, que cada vez más se fabrican en materiales no convencionales, para responder a la tendencia mundial de reducir emisiones de gases invernadero mediante la disminución de peso en el automóvil y la racionalización de su producción.

Un aspecto crucial que ayudaría a aumentar la productividad de los proveedores de autopartes sería la inclusión más decidida, en las cadenas productivas, de sistemas de mecanizado de cinco ejes. Existe la imagen generalizada de que estos sistemas se aplican sólo para piezas de alta complejidad geométrica y muy alto valor comercial, como en el caso de partes para turbinas como álabes o blisks enteros.

Ventajas más allá de la complejidad geométrica alcanzable

Sin embargo, es necesario aclarar que entre las mayores ventajas de un sistema como el que se describe, está la posibilidad de trabajar sobre hasta cinco caras de un producto, sin tener que cambiar de sistema de sujeción, lo cual aumenta notablemente no sólo la velocidad con la que se produce una pieza ―por la reducción de tiempos muertos debidos al reposicionamiento y reconfiguración de la pieza―, sino la precisión y repetitividad de las partes fabricadas.
Por supuesto, la aplicación de estos beneficios no se limita a piezas manufacturadas directamente para automóviles. El beneficio de los centros de fresado de cinco ejes se extiende a los fabricantes de herramental para la producción masiva de piezas inyectadas o troqueladas, por ejemplo. Precisamente, respecto al primero de este tipo de fabricantes, se conoce que solo un muy pequeño porcentaje de los productores de moldes para inyección de piezas plásticas en la región aprovecha los beneficios de un sistema de cinco ejes dentro de su cadena de manufactura. Además de la reducción de tiempos muertos y la ganancia en precisión por eliminación del reposicionamiento de las piezas para ser trabajadas en diferentes caras, el sistema de indexado continuo con cinco grados de libertad, le permite a la herramienta alcanzar puntos que de otra manera no podrían ser trabajados mediante un sistema convencional. Esto aumenta, por ejemplo, la relación de aspecto (relación entre el diámetro y la profundidad) de las cavidades que se pueden mecanizar, lo cual hace en ocasiones innecesario el uso de un proceso adicional como el de la electroerosión para completar una pieza.

Las mejoras en los diseños de las máquinas, que han logrado un aumento notable en su robustez dinámica, disminuyen la propensión a vibraciones indeseadas, generadas por las fuerzas de corte y el movimiento de altas aceleraciones de los ejes en múltiples direcciones.

Precisamente, en este último aspecto, empresas como DMG MORI han enfocado sus mejores esfuerzos para incluir motores lineales en todos sus ejes. Esta empresa, por ejemplo, presentó recientemente su centro de fresado horizontal con capacidad de cinco ejes DMC 80 H linear, que promete un aumento de productividad y precisión de 25 % respecto a máquinas con ejes tradicionales de tornillos de bola, entre otras. Los motores lineales, que alcanzan velocidades de hasta 90 m/min con aceleraciones de 1 g, casi duplican la velocidad alcanzada por los sistemas actuales de tornillo. El sistema de motores lineales reduce también notablemente la masa en movimiento durante el traslado de los carros, para una respuesta dinámica más rápida de los sistemas de control, lo cual mejora no solo la velocidad sino la precisión del posicionamiento. Todo esto, sumado a un sistema de cambio de herramientas de gran velocidad permite, según el fabricante, lograr tiempos de viruta a viruta de tan solo 3.2 s en sus sistemas de cuatro y cinco ejes.

Cuando no es necesario trabajar en cinco ejes simultáneamente, sino usar la capacidad de indexación de la mesa rotativa para posicionar la pieza en un ángulo dado y desde este punto utilizar los tres ejes tradicionales de las máquinas, es aconsejable adquirir una máquina conocida como de 3(+2) ejes, más económica, pues reduce la complejidad de su control y puede llegar también a reducir sus necesidades en cuanto a robustez dinámica. Los talleres que están comenzando a utilizar esta tecnología en Latinoamérica, y que no requieren alcanzar precisiones de posicionamiento por debajo de los 8 a 10 µm, pueden pensar en una máquina de series económicas, en las que las que los motores lineales, las escalas de vidrio y otros aditamentos, no se entregan de norma.

Cuando la precisión en el rango de pocos micrómetros desempeña un papel fundamental, como es el caso de la fabricación de piezas para la industria médica, de equipos electrónicos y de relojería/joyería, adquiere gran importancia el hecho de que las máquinas tengan ejes internamente refrigerados por agua, con medición láser de las herramientas en la máquina, incluido su sistema de limpieza previa de los filos de corte. Fabricantes como Röders y KERN, en Alemania, ofrecen centros de mecanizado de cinco ejes con capacidad de posicionamiento real a escala submicrométrica en sus modelos RXD5C para el primero, y la KERN micro para el segundo.

La flexibilidad en la capacidad de producción es clave

Una empresa que piensa a futuro debe poder satisfacer el creciente mercado de partes automotrices y estar preparada para producir piezas en una gran variedad de materiales (aceros para herramienta, aceros endurecidos, bronce, compuestos con fibras de vidrio y de carbono, entre otros). Aún más, las partes presentan cada vez mayor complejidad y cavidades profundas, con el fin de ahorrar peso y tamaño. De esta manera, se hace imprescindible el uso de centros de mecanizado de cinco ejes, que cada vez ofrecen más capacidades de fresado y torneado gracias a la adición de una mesa de trabajo rotativa de alto torque. Aparte de la necesidad clara de disponer de una máquina de alta rigidez y excelente respuesta dinámica, para obtener rugosidades superficiales bajas y evitar trabajos manuales de pulido al salir del centro de mecanizado, cada vez se vuelve más importante el ahorro de espacio en la planta que pueden ofrecer estos equipos.

La ocupación innecesaria de área de trabajo, por parte de un equipo, genera sobrecostos en la producción que deben tenerse en cuenta. Esto forma parte también del concepto de celdas de trabajo compactas, en las que se instalan varias máquinas alrededor de uno o más robots, que trabajan de manera sinérgica alimentándose unas a otras para generar una pieza final, de alta calidad y en el menor tiempo posible. Un ejemplo clave de esta tendencia de reducción de espacio en planta es la máquina i50 de DMG MORI, presentada durante la feria AMB de Stuttgart a finales de 2014. Se trata de una máquina diseñada para la producción eficiente de bloques y cabezales para cilindros de motores de autos, con la capacidad de indexar la pieza en los ejes A y B, para una configuración de ejes 3(+2). Ocupa un área de 6,7 m2 y tiene un ancho de solo 1,68 m. Según los fabricantes, para beneficiar la transferencia de piezas entre máquinas de una celda de manufactura, la altura máxima de la máquina, que llega a 1,85 m, permite tener un sistema de portal que recoge desde arriba las piezas que cada máquina va terminando, y ahorra tiempo debido a que no debe hacer grandes desplazamientos.

Desarrollos a futuro para el trabajo con cinco ejes

El trabajo de fabricación de piezas en cinco ejes simultáneos se desarrolla actualmente en áreas aún no exploradas por la industria tradicional. Es el caso de su aplicación en procesos de manufactura aditiva, como la deposición directa de metal por láser (LDMD, por su abreviatura en inglés). El potencial de procesos de este tipo para la fabricación de piezas de alta complejidad, reparación de partes, generación de piezas de repuesto, entre otros, directamente desde archivos CAD es enorme, debido a la reducción en costos de herramental y su capacidad para generar contornos y cavidades internas, imposibles de realizar mediante otros procesos. Sin embargo, en el caso del cálculo de trayectorias del rayo láser como herramienta, en cinco ejes simultáneos, existen problemas para generar un movimiento constante y así exponer el metal a un flujo uniforme de energía térmica, especialmente en puntos singulares de la pieza. Investigadores franceses, liderados por Didier Boisselier, de Irepa Laser, y auspiciados por el proyecto Fui Falafel1 de su gobierno, han encontrado soluciones para este problema, con lo cual han permitido la producción de piezas metálicas de alta complejidad, mediante el desarrollo de un software nuevo denominado Powerclad, que puede calcular la trayectoria más eficiente para el rayo láser en condiciones de movimiento de alta complejidad.

 

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