Cinco procesos de maquinado de autopartes para tener bajo la lupa

Ya que la evolución de la tecnología está intrínsecamente ligada a las necesidades del mercado y sus posibilidades de desarrollo, resulta útil observar de manera continua cuáles son las novedades en maquinaria y periféricos. Basado en el desarrollo presente de la industria de automotriz, el autor nos señala cuáles son los procesos de maquinado de mayor relevancia en los años por venir.

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Uno de los aspectos que más afecta al panorama de los fabricantes de autopartes hoy en día es la perspectiva del aumento en el consumo de autos eléctricos hacia el futuro. Estudios actuales predicen que cerca del 30 % de los automóviles de uso particular tendrá un sistema de propulsión completamente eléctrico o será híbrido (motor eléctrico + combustión interna) para el año 2030. Esto no toma en cuenta todo el sector utilitario que incluye pick-ups, transporters y camiones, para los cuales se espera que tengan un transcurso hacia la propulsión eléctrica aún más lento.

Por un lado, se reconoce que aún si se disminuye el número de piezas por auto en el sector de generación y transmisión de potencia, el resto de las partes se seguirán necesitando. La suspensión, carrocería, partes internas, etcétera, siguen siendo necesarias. Por otro lado, aún existe un gran nicho de mercado sin satisfacer en los países de economías emergentes donde rápidamente crece el número de vehículos per cápita debido al desarrollo en infraestructura interna y al aumento del poder adquisitivo de sus habitantes. Una nación como Estados Unidos, con cerca de 900 vehículos por cada 1000 habitantes, contrasta con las cifras de economías crecientes como la de China, con 150 vehículos por 1000 personas, o India con tan solo 50 vehículos por 1000 habitantes (cifras entre 2015 y 2017). Definitivamente sigue habiendo un gigantesco potencial a futuro para la fabricación y comercialización de vehículos mundialmente, tanto de motor de combustión como eléctrico.

En el caso de los autos propulsados por motores eléctricos o híbridos, se abre un gigantesco reto para los fabricantes debido a que aún al día de hoy no existen grandes cadenas de producción en serie del tamaño y del nivel de confiabilidad con el que cuentan los sistemas de combustión interna. Los principales fabricantes de componentes para el tren motriz como ZF Friedrichshafen AG, de Alemania, han venido adquiriendo compañías especializadas en temas eléctricos y electrónicos para fortalecer su capacidad y proyectarse hacia la producción en masa de los nuevos conjuntos de piezas. No hay que olvidar que una de cada dos máquinas herramienta producidas en ese país se destina a alguna aplicación de la industria automotriz. La posible reducción en la necesidad de utilizar máquinas altamente especializadas en rectificado de cigüeñales o el bruñido de cilindros, abre la necesidad generar otras soluciones a esta gigantesca industria.

Al final, desde el punto de vista de los procesos de manufactura, todo este movimiento, que no deja de tener en cuenta que existen cada vez más modelos de vehículos y estos se reemplazan con cada vez mayor frecuencia, se traduce en tener la capacidad de producir series más pequeñas de manera flexible, a muy altas velocidades, con costos de producción menores, herramientas de automatización, menores tiempos de desarrollo, mejores materiales y mayores requerimientos de precisión.

Para todos los casos es necesario aprovechar los avances tecnológicos no solo del área de la maquinaria misma, sino del software para la optimización y el aseguramiento del proceso y el aumento de su disponibilidad.

Un ejemplo claro de esto es la necesidad de desarrollar piezas para la transmisión de potencia en un motor eléctrico que gira a mayor velocidad y con un mayor torque que lo acostumbrado hasta hoy en motores de combustión interna. Estas piezas necesitarán de mejores ajustes, posiblemente en materiales diseñados para esos usos, requiriendo así procesos de manufactura especialmente acondicionados para cumplir las fuertes expectativas.

Teniendo en cuenta estas premisas, a continuación identificamos los cinco tipos de máquinas con mejores perspectivas para la producción en masa de componentes automotrices.

Centros de mecanizado multitarea: 

Ganar en productividad manteniendo un buen nivel de flexibilidad en el tipo de piezas a fabricar, con altos niveles de reproducibilidad es la clave mirando hacia el futuro de la industria automotriz. Pensando en esto es crucial tomar en cuenta las posibilidades de trabajo abiertas por el desarrollo en los sistemas de control de las máquinas multitarea, que permite el manejo de múltiples ejes y por ende de herramientas en simultáneo sobre la misma pieza. En el caso de poder comenzar con materia prima en forma de barra, las máquinas multitarea de fresado y torneado son una excelente opción. La ventaja clave del uso de este tipo de máquinas es que más de una herramienta esté cortando simultáneamente sobre sobre la pieza. Cuando la máquina cuenta con dos cabezales de agarre de la pieza, un producto puede comenzar a ser trabajado en el primero y ser trasladado automáticamente al segundo cabezal, para trabajarlo allí por su sexta cara y entregarlo finalizado. Esto ahorra tiempos muertos y disminuye errores de posicionamiento por el cambio de máquina.

Centros de rectificado CNC: 

Es imposible ver el futuro de la fabricación de piezas automotrices sin tener en cuenta el proceso que permite alcanzar los acabados superficiales necesarios para lograr la funcionalidad de las piezas en cuanto a sus tolerancias geométricas y de acabado. La resistencia al desgaste y a la fatiga dependen en gran medida del estado de esfuerzos residuales dejados en los primeros micrómetros de profundidad de las piezas, y estos son alcanzados por este proceso clave en toda la cadena de producción.

Las mejoras en la maquinaria de rectificado, aparte de los avances en la respuesta dinámica de la máquina ante el movimiento de la herramienta o de la pieza, tienen que ver con la optimización del monitoreo del desgaste de la herramienta de rectificado (la piedra, o la rueda como coloquialmente se llama). De esta manera, las máquinas controlan el funcionamiento de las piedras de afilado automáticas, y permiten manejar óptimamente la cantidad de líquido refrigerante y velocidad relativa de giro, con el fin de alargar la vida útil de los diamantes. De igual forma, las máquinas modernas mantienen constante la velocidad periférica de la herramienta de rectificado teniendo en cuenta su desgaste y así mismo controlan los parámetros del afilado. Sin este proceso, es muy complejo mantener los mismos estándares de producción durante la fabricación en masa de productos de alta calidad.

Manufactura aditiva industrializada: 

Es innegable que la manufactura aditiva de metales ha llegado para quedarse como un eslabón más de la fabricación de partes complejas. Los desarrolladores de estas tecnologías están poniendo todo su esfuerzo en habilitar el proceso para fabricar piezas de manera más rápida, en una mayor variedad de materiales e incluyendo sistemas de automatización que permitan el trabajo continuo, no supervisado, necesario en la producción en masa de componentes.

Entre los retos que se presentan aún para este proceso, está la necesidad de postprocesar las piezas que terminan de ser sinterizadas. Entre otros, estas deben recibir aún un acabado superficial pues el proceso aditivo deja las superficies muy similares a las de un proceso de fundición tradicional. Las partes deben ser retiradas también de las placas de soporte, a las que quedan soldadas después del proceso.

Recientemente, la compañía Sodick presentó una serie de máquinas especialmente diseñadas para agregar capacidad de postprocesamiento por mecanizado a sus sistemas de sinterizado láser. Se trata de máquinas híbridas que cuentan con un husillo de alta velocidad (45,000 rpm) que es capaz de entrar a fresar las piezas durante las pausas del sinterizado, accediendo a lugares que no serían factibles cuando la pieza está terminada.

De la misma forma, añadiendo productividad a la fabricación aditiva, Sodick ha comenzado a ofrecer máquinas de electroerosión por hilo con un eje z mucho más alto, que permite cortar piezas sinterizadas de sus cada vez más grandes placas de soporte con gran rapidez. La idea de este nuevo modelo es que reduce muchas de las capacidades de las máquinas tradicionales, para hacerla más económicamente viable en una aplicación donde se necesita más velocidad y confiabilidad que alta precisión.

Todo esto unido al desarrollo de sistemas paletizados de referencia cero, para las placas de soporte, permite la automatización de los procesos de transferencia de partes de la máquina de sinterizado láser hacia las de mecanizado que continúan la cadena de producción. La manufactura aditiva será parte de la cadena de producción de partes automotrices más ligeras y eficientes. No hay duda de ello.

Tratamiento térmico localizado: 

El tratamiento térmico de una pieza automotriz, ya sea para generar superficies duras de trabajo que resistan el desgaste o para aumentar la ductilidad de ciertas zonas de trabajo en piezas que reciben grandes cantidades de deformación plástica durante su fabricación, es un reto a la hora de garantizar su confiabilidad y capacidad de producción en grandes cantidades.

Uno de los procesos con mayores perspectivas a futuro es el del tratamiento térmico localizado por láser. Un ejemplo claro de este tipo de maquinaria lo presenta la empresa Talens, de España, que ya tiene máquinas CNC capaces de generar tratamientos térmicos localizados en piezas automotrices como parte de líneas de producción en serie. Sus equipos pueden proyectar geometrías determinadas con su haz láser, transfiriendo la cantidad de calor adecuada dependiendo de las características de cada pieza.

De esta manera se pueden endurecer zonas como las muñequillas de los cigüeñales, sin intervenir de manera negativa otras zonas de la pieza, como agujeros de lubricación o límites con otras regiones funcionales. Según Talens, el uso de su sistema permite flexibilizar el proceso de temple para responder de manera rápida a cambios de diseño en las piezas, lo cual es muy complicado con los procedimientos tradicionales de temple por inducción, en los que se debe desarrollar herramental a la medida para cada aplicación.

Maquinaria transfer flexible: 

Para el caso de la fabricación en serie de grandes cantidades de piezas, con altas prestaciones en cuanto a acabados, ajustes y que aún mantienen bajos costos de producción hay que tener en cuenta las máquinas transfer. Tradicionalmente este tipo de máquinas cuenta con varias estaciones de mecanizado, cada una con su propio husillo que realiza una tarea específica a la vez. La máquina cuenta con un sistema de transferencia que va moviendo las piezas fijadas de una estación a otra.

En muchos casos, la pieza sale completamente terminada, habiendo entrado a la máquina en estado crudo, en forma de barra por ejemplo; sin embargo, es conocido que este tipo de maquinaria es muy costosa y desde el punto de vista de variabilidad de piezas a producir, bastante rígida.

Hoy en día, existen fabricantes que utilizan las capacidades de control numérico disponibles para instalar una multitud de cabezales de mecanizado y sistemas de agarre de piezas y permitir así cambios rápidos en la configuración de la máquina cuando se trata de producir diferentes referencias de productos en una misma máquina. Fabricantes como Winema, de Alemania, o Mikron, de Suiza, ofrecen productos con múltiples estaciones de trabajo configurables, en las que se asegura que corridas desde 10,000 piezas son económicamente rentables, debido a que la máquina se reconfigura en mucho menos de un turno de trabajo.

Este tipo de máquinas se diferencia básicamente de los centros de mecanizado en que no necesariamente están hechas para hacer “cualquier” tipo de pieza, dado que trabajan con sistemas de agarre de estación a estación prácticamente diseñados para el tipo de pieza que están usando, sin mayor recorrido de ejes que el necesario. De igual forma, los cabezales y las herramientas que se instalan están mucho más dedicados al producto, o familia de productos, que se predeterminan para esa celda de fabricación. Esto permite llegar a tener piezas con mejores condiciones de precisión, terminadas con menos traslados de máquinas y alta confiabilidad. Reduciendo eso sí, la gran flexibilidad que permite un centro de mecanizado multiejes.adicionales de temple por inducción, en los que se debe desarrollar herramental a la medida para cada aplicación.