Tecnología al servicio del recambio generacional en la manufactura

Los cambios generacionales siempre han sido cruciales para las empresas mexicanas, especialmente por la dificultad de recortar las curvas de aprendizaje en los empleados. A partir de una historia casi centenaria, mostramos cómo este tipo de obstáculos se pueden sortear gracias al uso adecuado de tecnologí­a y a la asesorí­a técnica de instituciones de gobierno. El autor describe la manera en que procesos de alto valor de mano de obra, casi artesanales, pudieron ser reemplazados por mecanismos de manufactura en componentes complejos sin dejar de garantizar la precisión y el detalle pieza tras pieza.

La complejidad geométrica de las hélices y propelas para embarcaciones marí­timas siempre representará retos importantes para la manufactura metalmecánica. Un fabricante importante en México de estos componentes es Fundiciones Rice, ubicado en Mazatlán, que siempre ha dependido del conocimiento profundo y de la experiencia de sus técnicos para generar moldes de alta precisión. Desafortunadamente, la gran mayorí­a de estos expertos tienen ya muchos años en la empresa y están cerca del retiro, por lo que su gran fortaleza, la experiencia de los años acumulados está, literalmente, jugando en contra en una ineludible carrera contra el tiempo pues, desde hace ya algunos años, se podrí­an contar con los dedos a los jóvenes que desean emplearse en este tipo de tareas de producción.

Pero para esta empresa mexicana con alcance internacional, no parece haber obstáculos. Muestra de ello es que en la actualidad opera bajo la visión y batuta de su cuarta generación en 2019 cumplirá un siglo de haber sido fundada por don Maximinio Rice, cuando patentó un método de fabricación de anillos de fierro para motores en un horno, también de su invención.

Para contrarrestar este cambio generacional, la familia sinaloense Rice sacó provecho de la disponibilidad de fondos gubernamentales y se acercó al Centro de Ingenierí­a y Desarrollo Industrial (Cidesi) para encontrar nuevas formas de suplir, con tecnologí­a, la mano de obra ya no disponible.

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Ricardo Villarreal, ingeniero de proyectos de Cidesi, estuvo involucrado en este proceso desde el principio, y fue uno de los encargados de entender los requerimientos de la empresa Rice y de desarrollar la solución adecuada. Cuando tuvieron el primer acercamiento pudo atestiguar que el proceso de manufactura era tradicional y se ejecutaba de forma manual.

Para ello se hacen moldes de arena y modelos de madera para formar el corazón de la pieza. Requiere una gran pericia que los trabajadores de Rice han desarrollado a lo largo del tiempo. Pero los jóvenes ya no quieren hacer el tallado de madera y se resisten a hacer este trabajo, que es muy artesanal”, comentó.

Fue a partir de acercamientos con el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnologí­a (Conacyt), al cual pertenece Cidesi, que conocieron los Proyectos de Innovación (PI) y obtuvieron un primer proyecto con una propuesta técnica comercial para sustituir sus procesos de manufactura.

Rice fabrica propelas y hélices para barcos para clientes tanto en México, como en Sudamérica (paí­ses como Colombia, Venezuela y Brasil). También, la marina de Estados Unidos les enví­a hélices para reparación. La empresa de Mazatlán tiene capacidad para producir y reparar propelas de cualquier envergadura.

Desde el diseño

El personal de Cidesi recibió el proyecto y consideró no solo la utilización de tecnologí­a de punta, con equipo para realizar procesos de maquinado, sino que además tuvo en cuenta la necesidad de implementar sistemas de producción flexibles que les permitieran maquinar diferentes tamaños y modelos de componentes.

Decidimos emplear tecnologí­as como robots, celdas de manufactura automatizadas, centros de maquinado y posicionadores”, explica Villarreal. “Para ello se plantearon etapas que fueron desde la investigación y obtención de una arena autofraguante con caracterí­sticas maquinables hasta el diseño del proceso de corte”.

Los investigadores de Cidesi realizaron estudios de compactación para asegurar el maquinado con herramientas de corte a partir de diseños de experimentos. Así­ se desarrolló esa primera etapa en la búsqueda de materiales maquinables pero con un aglutinamiento y porosidad adecuados para la fundición.

La base de la arena es sí­lica, misma con la que se producen las piedras de afilado, por lo que realizaron un estudio que permitiera hacer maquinados con herramientas tales como acero rápido (HSS), carburo de tungsteno o de diamante (PCD). Sustentaron el análisis en artí­culos cientí­ficos y otros estudios a los que pudieron acceder para asegurar la utilidad de los materiales en las herramientas de corte en los procesos de arranque de viruta. “Era fundamental encontrar la relación óptima de costo beneficio de las herramientas”, indica Villarreal.

Se terminaron los diseños de experimento para todo el proceso de operación de manufactura de moldes, desde la recolección de arena, que en un inicio se carga en una tolva para luego enviarse a una estación donde se agregan catalizadores para los aglutinantes y así­ cargarse en los moldes en los que se genera un cubo, mismo que se coloca en una banda transportadora hacia la etapa de fraguado, para que posteriormente se dirijan a la celda robótica. Después se terminan las tareas con el software CAM para la generación de rutas de corte. Todo esto se realizó en los talleres del Centro de Ingenierí­a ubicado en Cuautitlán, Estado de México. El paso siguiente fue la instalación en la planta de Rice, en tierra sinaloense.

En el proceso de ingenierí­a también se diseñaron procesos de manufactura flexible para poder hacer maquinados en diferentes modelos de moldes y para diferentes tamaños de propelas. “Tomamos en cuenta desde el estudio del proceso y el despliegue de los layouts, hasta la construcción de celdas robóticas para maquinados CNC con dispositivos de manejo de materiales”, explica el ingeniero de Cidesi, quien ilustra que los bloques de arena son muy pesados, y más grandes de un 1 m3, lo cual se dimensiona si se considera que estos bloques tienen una densidad de 1,500 Kg/m3. “Esto es aún más complicado si consideramos que cada partición puede tener hasta cinco partes para después hacer el ensamble y luego la fundición. Hay propelas muy complejas para maquinar y cuyos moldes son geométricamente complejos”.

El clima fue otro factor. Al ser una ciudad portuaria, situada frente al océano Pací­fico, Mazatlán tiene altos í­ndices de humedad. “La planta de Rice está a unas cuantas cuadras del mar, por lo que tuvimos que considerar que los materiales cumplieran con resistencias de hasta 80 y 90% de humedad. Si el equipamiento no es de acero inoxidable se corroe de manera muy rápida”, asegura el entrevistado.

Moldes flexibles

Y es que no se pueden tomar riesgos con la producción de hélices costosas, de gran tamaño, de hasta un metro de diámetro, y de modelos tan variados, con caracterí­sticas propias para cada tipo de embarcación. Entre los modelos destacados de Rice se encuentran los Kaplan, Nautilus, Titán y Delfí­n, además de otros especiales. Estos son de diferentes tamaños y formas, por lo que el Cidesi comenzó su análisis con la recolección de información de datos de manera digital y la inspección de modelos matemáticos en sistemas 3D, para hacer una revisión minuciosa de las caracterí­sticas de cada hélice. Villarreal advierte que en el Centro cuentan con áreas de desarrollo con expertos en moldes de fundición de arena y termoplásticos que entienden bien esos modelos matemáticos por lo que se puede decir que la manufactura comienza desde un producto virtual.

Pero los problemas fí­sicos son otros. “En una propela de 2m de diámetro, en una fundición convencional, bipartido (en dos piezas), se requiere una gran cantidad de arena autofraguante, la cual se tiene que colocar frente a un robot con un husillo para maquinado. Para ello tendrí­amos que disponer de hasta 4 o 5 toneladas de arena frente a un robot para realizar la tarea. Esto es casi imposible”, comenta.

Por ello se propuso al cliente que los moldes se hicieran en varias partes y, aunque se trata de componentes complejos, desde el punto de vista del modelado en 3D no serí­a tan complicado. “Pero estamos hablando de arena, en este diseño tení­amos que crear un proceso de ensamble de particiones de tal forma que se asegurara la geometrí­a exacta de la propela. Al ser varias piezas las requeridas para armar un solo componente o molde, diseñamos sistemas de ancla, las cuales van embutidas en la arena y, además de dar soporte, alinean particiones. Hemos hecho ya moldes con hasta ocho particiones, algunas de ellas de hasta 1m3 de arena”.

El paso siguiente fue construir una celda robótica con sus vallas perimetrales de seguridad. Se utilizaron equipos posicionadores con una mesa y con un T Slot con sistemas Unilockdel fabricante de herramientas y mecanismos de sujeción Big Kaiser. Fue en conjunto con su distribuidor AHNSA que diseñaron los sistemas de colocación para asegurar la precisión requerida para el maquinado, establecida en 5 micras, tarea compleja si se consideran las acciones de configuración para componentes tan pesados y complejos. “Sobre estos dispositivos tuvimos que diseñar un fixture en el que se fraguó un bloque de arena de 1m3 y que servirí­a como blank para el maquinado. Esto nos permitió disponer de un robot con un husillo frente a un metro de arena”.

Para la integración de la automatización, que también se llevó a cabo en los laboratorios de Cidesi, se formaron dos grupos de trabajo en paralelo que se encargaron de los modelos matemáticos para la generación de los programas de maquinado y trayectorias de corte, así­ como en la programación de tareas de los robots ABB con los posicionadores de Big Kaiser ajustados modelos matemáticos importados para las mesas y los fixtures. 

Trabajo en equipo

Para los ingenieros del Centro de Ingenierí­a de Conacyt, la colaboración con los proveedores de tecnologí­a ha resultado vital y destacaron como ejemplo al personal de la firma Big Kaiser, que ayudó al aseguramiento de que los procesos de sujeción se cumplieran con el alcance micrométrico requerido por la aplicación. “Es importante la cercaní­a y la confianza, y a ellos los conocemos muy bien”, asegura Villarreal. “Buscamos que los proveedores no sean vendedores, sino técnicos que nos ayuden a resolver, en este caso, las necesidades de maquinado para seleccionar los dispositivos adecuados. Es importante que tengan conocimiento de manufactura avanzada, pues aquí­ tenemos equipos de última generación como tornos verticales de hasta 5 ejes, centros de maquinado horizontal y equipos de corte por chorro de agua”.  

Agrega que la selección de herramientas para las máquinas es crucial en el propósito de lograr la precisión requerida. “Requerimos dispositivos de alta tecnologí­a tales como brazos angulares a 90 grados, sistemas para fixtures de ensamble que puedan funcionar frente a equipos de medición, para lo cual, la orientación y sujeción es clave”, pues las piezas deben tener nivel preciso de repetibilidad donde los runouts no excedan las 5 o máximo 8 micras, según palabras del experto. Villarreal ejemplifica lo anterior con los productos Unilock, sistemas de sujeción de punto cero de Big Kaiser que fueron empleados en la configuración de las celdas de fabricación de moldes para las propelas de Rice y que resultan claves para garantizar las dimensiones de los productos.

Tras el éxito de este proyecto, Cidesi ya está trabajando en conjunto con el fabricante de hélices para embarcarse en una segunda etapa, que consistirá en la implementación de procesos de manufactura para la fundición de bronce. Esto requerirá de una nueva celda robótica para maquinados en equipos CNC para componentes del metal en cuestión. Según indican especialistas de Cidesi, para ello necesitarán un software más especializado para sistemas colaborativos con robots posicionados, intercambiadores de herramienta y procesos para hacer llegar las propelas al punto de maquinado; además de análisis dimensional e inspección con cámaras y sondas.

“Como centro de investigación no escatimamos con baja tecnologí­a porque no podemos poner en riesgo el prestigio del centro”, asevera Villarreal, cuyo paso por la industria es sólido, pues ha trabajado por muchos años en empresas como Ford, Chrysler, General Motors y Freightliner. “Como investigadores no somos todólogos, así­ que vemos a los proveedores como especialistas y les pido que compartan la responsabilidad del proyecto. Me gusta tener respuestas técnicas y no comerciales”.

Se calcula que la segunda etapa del proyecto cuente con fondos de los Proyectos de Innovación en 2018 por alrededor de 9 millones de pesos, lo que servirá para que Cidesi siga cumpliendo su misión de acercar soluciones de alta ingenierí­a a empresas mexicanas, para asegurar así­ su permanencia en el mercado a partir de esquemas de alta productividad y competitividad. Y, en caso del fabricante sinaloense de propelas Rice, ayudarlo a mantener el curso de su negocio con el viento en popa.