Haciendo un nicho en el mecanizado CNC de plásticos

El mecanizado de plásticos presenta desafíos en términos de herramientas, sujeción de piezas y gestión de virutas (y polvo). (Créditos de las fotos:K&E Plastics).

Si bien hay ventajas en ser un taller de máquinas CNC de nicho, también puede haber desafíos distintivos. K&E Plastics en Bennington, Vermont, es un buen ejemplo.

Como implica el nombre del taller por contrato, se centra únicamente en el mecanizado de plásticos de ingeniería, tanto termoplásticos como termoestables, y lo ha hecho desde que Peter Broderson fundó K&E en 1966. Su hijo, Eric, es ahora presidente de la empresa.

Debido a que no muchos talleres se especializan en el mecanizado de plásticos, incluidos termoestables como G7 y G10 rellenos con vidrio abrasivo, hay menos competencia en comparación con los que mecanizan aluminio, acero y otros metales convencionales. Sin embargo, la falta de familiaridad con los plásticos por parte de los proveedores de equipos y herramientas ha significado que K&E a veces se ha visto obligado a idear estrategias para mecanizar esos materiales de manera efectiva.

Me enteré de algunos de esos desafíos cuando visité K&E en 2013 para escribir mi primera historia sobre la tienda. La necesidad de recolección de polvo. Las dificultades de fijación de los plásticos. Los problemas de herramientas que vienen con el mecanizado de termoestables rellenos de vidrio. La lista sigue…

Aunque no pude volver a visitar K&E físicamente para esta historia, agradezco volver a conectarme y escuchar sobre qué nuevas tecnologías y procesos ha agregado el taller para volverse más capaz y efectivo en el mecanizado de plásticos. Esto incluye mirar las herramientas y la sujeción de piezas de manera diferente, y agregar su primer torno de tipo suizo para lograr tolerancias más estrictas y una producción más rápida de piezas complejas hechas de termoplásticos como polieteretercetona (PEEK) que anteriormente funcionaba en tornos tradicionales de herramientas múltiples. Esa máquina también permitió que el taller volviera a trabajar internamente en el trabajo que antes se subcontrataba.

Nuevas oportunidades, nuevos enfoques

Inicialmente, K&E se centró en las piezas de plástico únicamente para aplicaciones eléctricas dadas las excelentes propiedades de aislamiento eléctrico de los materiales (consulte la barra lateral a continuación). Cuando Broderson se hizo cargo de la dirección del negocio de su padre hace 27 años, buscó diversificar la empresa persiguiendo aplicaciones no eléctricas en las industrias médica y aeroespacial. En la actualidad, también busca oportunidades en nuevas tecnologías energéticas, como vehículos eléctricos, pilas de combustible y almacenamiento de energía. La tienda cuenta con la certificación ISO 9001:2015, tiene registro en el Reglamento de Tráfico Internacional de Armas (ITAR) y está certificada como parte del Programa de Certificación Conjunta (JCP), lo que le permite ganar el trabajo de defensa secreta. También cuenta con la certificación del programa Historically Underutilized Business Zones (HUBZone) que ayuda a las pequeñas empresas en comunidades urbanas y rurales a obtener acceso preferencial a oportunidades de adquisiciones federales.

Máquinas K&E solo plásticos (incluidos termoplásticos y termoestables ) para industrias como la eléctrica, aeroespacial y médica. También ve oportunidades en aplicaciones de nuevas energías, como pilas de combustible, vehículos eléctricos y almacenamiento de energía.

La instalación de 30,000 pies cuadrados del taller incluye una gama de enrutadores CNC, VMC y tornos, 28 en total. La mayoría de estos son modelos de Haas Automation. El torno tipo suizo que compró en 2018 es un modelo Tsugami S205 (más sobre eso más adelante). Según el material, estos pueden mecanizar piezas con refrigerante o secarlas con la ayuda de pistolas de aire frío para enfriar las operaciones de corte y ayudar a romper las virutas.

A veces se utilizan refrigerantes para termoplásticos sin carga. No se pueden usar refrigerantes a base de aceite porque a menudo degradan el plástico. En su lugar, K&E utiliza refrigerantes a base de agua como Trim Microsol 585XT de Master Fluid Solutions. Se dice que es un refrigerante de microemulsión, semisintético, de alta lubricidad que ofrece una vida útil prolongada del sumidero y un mejor control de la espuma en comparación con los semisintéticos de la generación anterior.

La tienda de K&E se distingue porque tiene conductos conectando equipos que mecanizan plásticos en seco a uno de los dos sistemas centrales de recolección de polvo.

Sin embargo, muchos termoestables se mecanizan en seco. Estos materiales a menudo se rellenan con vidrio u otros materiales abrasivos que crean polvo cuando se mecanizan. La recolección de polvo efectiva es imprescindible para mantener un entorno de trabajo limpio y prolongar la vida útil de la máquina herramienta. De hecho, los conductos utilizados para la recolección de polvo es lo que le da al taller un aspecto distintivo.

Los conductos se dirigen a la zona de trabajo de cada equipo que mecaniza piezas de plástico en seco. El taller agregó recientemente su segundo sistema de recolección de polvo de 18 000 cfm, lo que le permite agregar hasta 12 centros de mecanizado más para mecanizar piezas en seco.

El taller instaló recientemente su segundo 18,000-cfm sistema de recolección de polvo, que le permite agregar hasta 12 centros de mecanizado más para mecanizar plásticos en seco.

El calor es el gran problema al mecanizar cualquier plástico. La quema de material es posible cuando las herramientas funcionan demasiado rápido. Además, sin una evacuación de viruta efectiva, el material maquinado puede volver a soldarse a la pieza de trabajo. La geometría de la flauta de la herramienta juega un papel clave en sacar las virutas y alejarlas de la pieza de trabajo, al igual que los chorros de aire frío. Sin embargo, los laminados termoestables como G7 y G10 también son propensos a la delaminación, según la fuerza de unión de la resina y cómo se mecanizan las piezas.

Los termoplásticos se suelen mecanizar con refrigerantes a base de agua . Los refrigerantes a base de petróleo pueden degradar el material plástico.

El taller recientemente comenzó a utilizar herramientas de corte de Datron Dynamics. Un ejemplo es una fresa de extremo de carburo de un solo canal, pulida y de 6 mm de diámetro. Según la empresa, un proceso de esmerilado de varias etapas genera bordes afilados y pulidos para un mecanizado sin rebabas, lo que reduce o elimina la necesidad de terminar las piezas a mano.

Otra son las fresas de metal duro con revestimiento de diamante amorfo para materiales compuestos de Harvey Tool. Se dice que son adecuados para el desbaste y el semiacabado de materiales compuestos con una alta concentración de fibra o relleno, como G10 y FR4, debido a la geometría optimizada con rompevirutas que corta las fibras de manera eficiente y acorta las virutas para mejorar la eliminación de virutas.

Además, K&E ahora utiliza brocas pistola de Sterling cuando es necesario para producir agujeros profundos y precisos con acabados superficiales de calidad.

El taller también está comenzando a estandarizar el sistema de portaherramientas PowRgrip de Rego-Fix para sus centros de mecanizado. La razón es que los sistemas de portaherramientas convencionales conducían a un descentramiento de hasta 0,002 pulgadas, lo que no era aceptable para características de piezas con tolerancias muy estrechas. "Ahora tenemos un descentramiento de 4 décimas", dice Broderson, "lo que nos brinda mejores acabados superficiales y menos desgaste de herramientas, al mismo tiempo que logramos las tolerancias de mecanizado requeridas".

El taller ha comenzado a estandarizar los sistemas de sujeción de herramientas en que una prensa hidráulica inserta o extrae pinzas de los soportes. Cada pinza tiene un cono autoblocante poco profundo y se presiona en el portaherramientas con 9 toneladas de fuerza. Broderson dice que estos portaherramientas ofrecen mejor descentramiento y rigidez en comparación con los modelos tradicionales.

Este sistema consta de portaherramientas de precisión estilo pinza y una prensa hidráulica de mesa que se utiliza para insertar o quitar pinzas de los portaherramientas. La pinza tiene un cono autoblocante poco profundo y se presiona en el portaherramientas con 9 toneladas de fuerza. También tiene un hombro cuadrado que hace contacto con el portaherramientas cuando se presiona. Este diseño de tope positivo permite el uso de un tornillo de respaldo incorporado para ajustar con precisión la longitud de la herramienta. Estos portaherramientas cuentan con altas fuerzas de sujeción y amortiguación de vibraciones, y un descentramiento total del indicador (TIR) ​​de ≤ 3 micras con una relación de longitud a diámetro de 3:1. Rego-Fix dice que este sistema de sujeción de herramientas también permite cambios de herramientas más rápidos y seguros que los sistemas de ajuste por contracción. Se dice que el ensamblaje de una herramienta nueva toma menos de 10 segundos. "Nuestro taller tiene aproximadamente 800 de estos portaherramientas en este momento, pero seguimos agregando más", dice Broderson.

Para la sujeción de piezas, algunas máquinas utilizan mandriles de vacío para acelerar los cambios y permitir que las herramientas accedan a los cinco lados de una pieza. De manera similar, K&E ha comenzado a usar placas de cimentación comunes cubiertas con prensas Chick. Broderson dice que debido a que las prensas Chick ofrecen una mejor repetibilidad de posicionamiento y las placas se instalan en una ubicación común, no se requiere sondear durante las configuraciones en comparación con cuando el taller simplemente atornilla las prensas a las mesas de la máquina. El taller también guarda y almacena mordazas de tornillo de banco para usarlas cuando se repiten los trabajos.

Para aumentar el tiempo de actividad del eje para este VMC, K&E agregó un sistema de cambio de palets para que los trabajos se puedan configurar fuera de línea mientras se completa otro en la máquina. Ha hecho lo mismo con otros dos VMC.

Para maximizar el tiempo de actividad del eje para tres de sus VMC, K&E agregó un cambiador de paletas Midaco a cada uno. Esto permite que cada máquina continúe ejecutando un trabajo mientras se coloca material nuevo en el palé fuera de la máquina. Una vez que se completa un trabajo, su palet sale y entra uno nuevo con el siguiente trabajo fijo.

¿Por qué agregar un tipo suizo?

Broderson dice que antes de agregar el S205 hace un par de años, K&E había estado subcontratando trabajo para atornillar talleres mecánicos para trabajos selectos. Con el tiempo, la cantidad de ese trabajo subcontratado siguió aumentando. Además, las tasas de desecho o rechazos para trabajos con tolerancias estrictas que se ejecutaban en algunos de sus tornos de herramientas múltiples eran a veces más altas de lo que le gustaría. El taller determinó que un tipo suizo con diseño exclusivo de buje guía y capacidad multifunción brindaría las precisiones requeridas y permitiría que el taller mantuviera ese trabajo en casa.

El Tsugami S205 con una capacidad de barra de 20 mm de diámetro y el alimentador de barras Minuteman 320 SE de Edge Technologies se compró a través del distribuidor de ventas de Tsugami/REM, The Robert E. Morris Company. John Ricardi, gerente de cuentas de la empresa, dice que la máquina incluía un sistema de suministro de refrigerante de 1000 psi (principalmente para el control de virutas), así como una unidad de recolección de neblina, un transportador de virutas, un conducto especial para recibir piezas largas fuera del subhusillo y conversión convertible/plato capacidad.

El alimentador de barras con capacidad para 10 pies de largo barras permite que el primer tipo suizo del taller funcione sin supervisión durante períodos de tiempo más prolongados que los alimentadores de barras en los tornos de tipo múltiple que funcionan con barras de 4 pies de largo.

Quizás el punto de venta más importante de esta máquina es que está diseñada para funcionar con refrigerante a base de agua para no degradar las piezas de trabajo de plástico como lo haría el refrigerante a base de aceite. Ricardi dice que la presión de aire positiva para los accesorios de herramientas y los husillos evita que el refrigerante entre en los cojinetes y elimine el aceite lubricante. Además, también se utiliza lubricación a base de agua en los juegos de canales del alimentador de barras.

El tipo suizo se utiliza para piezas que requieren tolerancias muy estrechas. Broderson dice que la presión de la herramienta puede hacer que se formen ahusamientos cuando se procesan piezas de plástico en tornos convencionales. El buje guía característico de Swiss-type proporciona el soporte en el corte para eliminar este problema. Además, la máquina repite muy bien, dice. Una vez que se marca un proceso, no hay más procesos de cortar, medir y repetir. Además, el alimentador de barras tiene capacidad para ejecutar barras de 12 pies de largo. K&E comúnmente ejecuta barras de 10 pies de largo, lo que permite tramos más largos de mecanizado desatendido en comparación con los tornos convencionales con alimentadores de barras de cuatro pies. Para material como PEEK, normalmente ordena material en barra molido a +0.002”/-0”.

El torno tipo suizo, que funciona con refrigerante a base de agua, se dice que logra tolerancias más estrictas y mejora la producción de piezas termoplásticas que el taller anteriormente ejecutaba en tornos CNC de herramientas grupales tradicionales. La máquina también permitió que el taller volviera a trabajar internamente en el trabajo que antes se subcontrataba.

Dicho esto, el taller puede quitar el buje guía y operar la máquina como un torno de mandril convencional, ejecutando un trabajo con el mismo enfoque de mecanizado que un torno estándar.

Broderson dice que una de las mayores curvas de aprendizaje fue determinar cuánta presión usar en la bomba de refrigerante de alto volumen para eliminar las virutas e inundar la pieza sin cambiar las dimensiones de la pieza que se mecaniza. Si la presión es demasiado alta, la corriente de refrigerante puede cambiar las dimensiones de las piezas de plástico. El taller también encontró torceduras en algunas barras de material debido a que el husillo de la máquina aumentó rápidamente su velocidad. La solución para eso fue aumentar la velocidad más lentamente. Otro desafío fue aprender qué características de la pieza podían mecanizarse y cuándo debían secuenciarse.

Asuntos materiales

Un desafío general que Broderson dice que su taller ha enfrentado recientemente es la variabilidad del material plástico. Aunque trata de comprar a proveedores con sede en los EE. UU., incluso algunos de ellos venden material producido en el extranjero. “Tenemos que ser muy específicos al ordenar”, dice.

En un ejemplo, el taller ordenó material FR4 para un trabajo, ajustando su proceso de maquinado para ese lote de material. Luego ordenó otro lote cuando regresó el trabajo. Sin embargo, aunque ese segundo lote cumplió con la misma clasificación NEMA para gabinetes eléctricos, la variación con la resina y el relleno de vidrio fue suficiente para que los datos de corte y las herramientas utilizadas en el lote anterior de FR4 no fueran compatibles con el nuevo lote. "Mantener dos mil en un material como este es bastante difícil, pero la variación entre lotes lo hace aún más difícil".

Conceptos básicos de termoestables, termoplásticos

K&E tiene 54 años de experiencia trabajando con plásticos de ingeniería. El taller dice que los termoestables son adecuados para aplicaciones que requieren alta resistencia al calor y aislamiento eléctrico. Los polímeros de reticulación en los termoestables forman enlaces irreversibles, lo que elimina el riesgo de que el producto se derrita si se vuelve a aplicar calor. También ofrecen excelentes propiedades de resistencia al desgaste y estabilidad dimensional a la vez que son más livianos que los metales.

Debido a que los gránulos termoplásticos se ablandan cuando se calientan y se licuan cuando se aplica calor adicional, el proceso de curado es completamente reversible ya que no se produce ningún enlace químico. Esto permite que los termoplásticos sean remodelados y reciclados sin afectar negativamente las propiedades físicas de los materiales. Los termoplásticos ofrecen beneficios, que incluyen resistencia química, resistencia al impacto, aislamiento eléctrico, baja absorción de humedad, bajo coeficiente de fricción, menor desgaste en las piezas de acoplamiento y eliminación de la lubricación durante el funcionamiento del producto.