Elegir la prensa adecuada: guía experta de opciones mecánicas, hidráulicas y servo

La tecnología de prensas —ya sea mecánica, hidráulica o servo— desempeña muchos roles

Hay opciones en prensas, lo cual es bueno. El debate no es cuál es la mejor, sino cuál es la adecuada para el trabajo en cuestión. Hay compromisos en coste, función y calidad entre los principales tipos de prensas que se pueden elegir.

Es un debate amistoso, y las cartas están sobre la mesa para que todos las vean.

Repaso rápido de la tecnología

Según Stephanie Price, ingeniera senior de aplicaciones en Promess Inc, Brighton, Míchigan, mucha gente en la industria no aprecia plenamente las ventajas de la tecnología de prensa servo. Por el contrario, Mike Josefiak, ingeniero mecánico en Greenerd Press & Machine, Nashua, N.H., defiende bien que una prensa hidráulica es la mejor solución para algunas aplicaciones. Y Jim Landowski, vicepresidente en Komatsu America Industries LLC, con sede en Chicago, te diría que aún hay situaciones en las que una prensa mecánica tradicional está bien.

Una prensa mecánica convierte el movimiento rotacional de un volante en el movimiento lineal del pistón presionando sobre la pieza. Como lo describió Landowski, "imagina el círculo, con cero en la parte superior y 180 en la inferior. Una prensa mecánica va de cero a 180 y vuelve a cero, o 360, en un movimiento continuo." La carrera no tiene fuerza en la parte superior y fuerza máxima en la inferior, así que "dependiendo del troquel, puedes empezar a empujar el material a 180 grados o así. Pero cuando llega a 180, la pieza termina, porque tu deslizador vuelve a subir."

Como explicó Bob Southwell, vicepresidente ejecutivo de AIDA-America, Corp. Dayton, Ohio, la mayoría de las prensas servo son versiones del mismo arreglo, "excepto que estás alimentando un tren de accionamiento mecánico con un motor servo, versus un volante con un mecanismo de embrague-freno." Una prensa mecánica tiene una carrera fija y velocidad constante. Pero "añade un motor servo y ahora puedes programar el perfil de movimiento. Puedes ralentizar, pausar, realizar re-golpeteo rápido, y hacer varias cosas que nunca fueron posibles con una prensa mecánica estándar." También existe una versión de accionamiento directo (motor servo a husillo de bolas), con mejores características de par que el híbrido servo-mecánico.

Una prensa hidráulica combina un conjunto de bombas, válvulas y mangueras para acoplar el pistón con fluido presurizado. Aunque este enfoque tiene ventajas, no incluyen el tipo de control de movimiento cubierto arriba. Así que una prensa servo ofrece capacidades adicionales y resuelve una serie de problemas que ocurren con prensas puramente mecánicas o hidráulicas.

Nuevos materiales, nuevos retos

Landowski observó que el movimiento hacia aleaciones avanzadas provocado por la ligereza automotriz y otros factores está impulsando la demanda de prensas servo. Como lo dijo, "piensa en el acero como un líquido, tiene que fluir... No trabajas el material, trabajas con el material."

Los materiales más duros requieren ajustes finos a la velocidad del pistón para "dejar que el material fluya correctamente, o se vuelve como caramelo y empieza a deshacerse." Por ejemplo, dijo, conformar una copa en una aleación dura podría requerir reducir de 30 a 15 pulgadas por minuto en el transcurso de una carrera de 3" (76,2 mm), a una tasa de cambio precisa —y quizás variable.

Solo un control servo podría gestionar esto, dado que los ajustes ocurren en milisegundos.

La principal ventaja de una servo, afirmó Landowski, es la flexibilidad para trabajar con diferentes metales ajustando el flujo del material. "Por eso tenemos gente que viene a probar varias opciones. Puedo hacer una buena pieza o una mala solo cambiando la velocidad del deslizador."

Southwell estuvo de acuerdo e informó que estos retos de materiales han resultado en una cuota de mercado de prensa servo de aproximadamente 80% en fabricación automotriz norteamericana. "Los aceros de alta y ultra alta resistencia y aluminios son mucho más difíciles de conformar que los materiales de hace diez o quince años. Y la capacidad de una servo para ajustar el perfil de conformado ha demostrado ser extremadamente beneficiosa para la base de clientes."

Josefiak de Greenerd estuvo de acuerdo en que el control servo tiene ventaja en tiempo de respuesta versus hidráulicas, en las que la respuesta es amortiguada, pero dijo que no había "visto muchas aplicaciones donde ese nivel de control en el perfil de movimiento impacte materialmente si haces o no un buen producto." Pero reconoció que "el re-golpeteo es un buen ejemplo de función solo servo. Ir al fondo y luego re-golpetear en una fracción de segundo no es algo que puedas hacer con hidráulicas."

Si no necesitas controlar velocidad, argumentó Landowski, puede que no necesites una servo.

"Si estás haciendo arandelas, por ejemplo, o remaches pequeños o algo así, no vas a ralentizar la prensa, no vas a controlar velocidad. Quieres hacer tantas piezas como puedas, tan rápido como puedas." Ahí es donde brilla una prensa mecánica, dijo. También es donde las prensas hidráulicas son menos apropiadas.

Versatilidad servo en ensamblaje

Southwell añadió que la capacidad de una prensa servo para reprogramarse fácilmente para diferentes piezas es otro factor en su éxito, incluso en el mundo automotriz de alto volumen.

"La mayoría de sistemas de prensa están diseñados para correr múltiples tipos de piezas. Correrán una herramienta una hora, la cambiarán y rodarán otra. Prácticamente nadie configura una prensa y solo la corre... No hay forma de que puedan mantenerse competitivos. Vendemos muchos sistemas a OEMs a través de Nivel Uno y Nivel Dos para grandes familias de diferentes piezas o juegos de troqueles a través de una sola prensa."

La versatilidad de la prensa servo va mucho más allá de la fácil programación y se extiende a operaciones de ensamblaje delicadas, dijo Price de Promess.

Manteniéndose en un ejemplo automotriz, Price señaló el ensamblaje de una bisagra de puerta. Explicó que una prensa servo ofrece tanto alta precisión como un bucle de retroalimentación inherente capaz de monitorizar estrechamente posición y fuerza. Así, al prensar la bisagra junta, Promess también puede medir la resistencia resultante en la junta, de forma que pueden asegurar que la puerta ni se abra demasiado fácilmente ni sea demasiado rígida para ser incómoda para el propietario del coche.

Esta capacidad de activar una pieza móvil y medir fuerzas en tiempo real también brinda la oportunidad de aflojar tolerancias de pieza, reduciendo así costes de componentes. Como explicó Price, sin retroalimentación durante el ensamblaje, los ingenieros a menudo se ven obligados a diseñar y fabricar con tolerancias muy ajustadas para asegurar que las piezas encajen correctamente.

"Usan el hecho de que la prensa fue a cierta profundidad, y basándose en sus tolerancias ajustadas, asumen que la pieza se ensambló correctamente. No tienen análisis de firma para verificar eso."

Con una prensa servo, podrían en su lugar aflojar las tolerancias y observar los datos durante el proceso de ensamblaje para determinar que lo que han prensado junto está realmente bien asentado. Price dijo que las capacidades de detección integradas de sus prensas servo han producido reducciones de tasa de desperdicio de hasta 50% en algunos casos.

Price también señaló que si una aplicación requería detección adicional (más allá de la retroalimentación del motor servo), es fácil integrar con sus sistemas.

"Tenemos clientes usando nueve a diez transductores de presión diferentes, o transductores de posición, o celdas de carga externas. Podemos tomar toda esa información para entender qué está pasando dentro del proceso", dijo. "Y podemos reaccionar a eso durante el proceso. Y como todo es eléctrico, es muy simple de configurar. Solo enchufas un transductor en un acondicionador de señal digital. El controlador puede entonces tomar esa señal y usarla para tomar una determinación."

Prensas, control y compromisos

Las prensas hidráulicas no son ciegas en esta área. Josefiak dijo que hay controladores de movimiento dedicados a sistemas hidráulicos con "tiempos de escaneo extremadamente rápidos que miran la presión a ambos lados de un actuador hidráulico. Y luego usando transductores de presión de acción rápida, podemos mostrar la fuerza real aplicada al trabajo." Uno de esos sistemas actualiza la medición de fuerza en menos de un milisegundo. En su opinión, aplicaciones que requieren medición de fuerza más rápida son "pocas y distantes."

Según Southwell, las prensas servo son mucho mejores que las hidráulicas para hacer piezas complejas que requieren una serie de troqueles. Hace años esto se habría hecho transfiriendo piezas a mano de prensa en prensa, explicó. Pero ahora "la única forma de competir" es transferir mecánicamente piezas de etapa a etapa dentro de una sola prensa. Pero "cuando usas múltiples estaciones para hacer una pieza, tienes carga descentrada, que es muy perjudicial para un tren de accionamiento hidráulico."

Josefiak contraargumentó que "la carga descentrada es perjudicial tanto para sistemas mecánicos como hidráulicos. Ambos manejan estas cargas descentradas con construcción apropiada y guiado del marco de acero. Tenemos sistemas usando múltiples cilindros hidráulicos para permitir carga descentrada mucho mayor que una prensa servo-mecánica estándar."

También hay cierta controversia sobre aplicaciones que requieren uso de aceite de grado alimenticio como lubricante. Landowski reportó que "varios clientes han cambiado de hidráulica a prensas servo-mecánicas únicamente debido a cilindros que gotean y guías del deslizador que gotean sobre el material. Todas las piezas necesitan limpiarse después de conformarse para eliminar cualquier posible contaminación. Los clientes también nos han dicho que limpiar lubricantes de grado alimenticio es menos costoso que no grado alimenticio debido a regulaciones FDA o EPA."

Josefiak dijo que han satisfecho tanto estándares médicos como de seguridad alimentaria en varios proyectos "modificando el sellado en sus prensas para usar aceite de grado alimenticio en lugar de aceites industriales estándar." Mientras Landowski afirmaba que sus prensas servo estándar no necesitan modificaciones, "solo el aceite de grado alimenticio para el accionamiento de la prensa y lubricante del deslizador." Un cliente "hace tapones de goma para tubos de ensayo. Cada carrera de la prensa entrega 65 a 75 tapones de goma, y lubricantes no de grado alimenticio invalidarían este proceso en particular."

Hidráulica conquista el estirado profundo

Según Southwell, "la ventaja de una prensa hidráulica es que tienes capacidad de fuerza o tonelaje completo a lo largo de toda la carrera. Así, si es una prensa de 200 toneladas y tienes una carrera de doce pulgadas, puedes aplicar 200 toneladas de presión todo el camino a través de esa carrera. Con una prensa servo que tiene el mismo tren de accionamiento excéntrico mecánico que la prensa mecánica original, tienes engranajes, el cigüeñal o un eje céntrico, y un engranaje central. Hay una curva de tonelaje o par, y la fuerza que puedes aplicar varía dependiendo del ángulo del eje del motor fuera del fondo." Esto no es el caso para prensas servo de accionamiento directo como las de Promess, pero estos sistemas se vuelven muy caros a medida que aumenta el tonelaje. Promess llega a 1 MN (~100 toneladas) en un solo cilindro, por ejemplo.

La capacidad de aplicar fuerza completa a lo largo de toda la carrera hace que las prensas hidráulicas sean perfectas para aplicaciones de estirado profundo, y Josefiak llegó a decir que es "la única opción que realmente tiene sentido."

Un ejemplo reciente citó es un proyecto para producir "tanques de presión relativamente grandes. Instalamos un sistema automatizado que carga planchas grandes y planas en una prensa de estirado profundo que tiene una carrera de trabajo de cinco pies." El sistema tiene múltiples operaciones, explicó. La primera usa una prensa de 170 toneladas para estirar dos mitades del tanque. Esto es seguido por una prensa de punzonado automatizada y recorte y soldadura aguas abajo. La clave aquí, dijo Josefiak, es que tal carrera de trabajo "no es algo que se replique fácilmente con una prensa servo. Así que el estirado profundo es un área donde las hidráulicas aún dominan. Y eso es en bastantes industrias. Es más el proceso que la industria."

Josefiak dijo que la hidráulica también "funciona muy bien en situaciones con tiempo de ciclo muy largo, donde podemos gestionar un consumo de energía muy bajo en una presión consistente a lo largo del área de la mesa y relativamente barato desde una perspectiva de coste de capital." El moldeo por compresión ofrece un ejemplo mayor. "Usualmente, el moldeo por compresión va a ser una combinación de tiempo, temperatura y presión conformando un material en una forma", explicó Josefiak. La prensa mantendría un material relativamente delgado contra un troquel positivo o negativo bajo presión. "La duración podría ser tan corta como cinco segundos, o tan larga como dos horas. Y muy a menudo... intentamos mantener una temperatura consistente de la platina a lo largo del área de trabajo de alrededor de 300 a 700 grados, e intentar controlar una presión muy consistente a lo largo del área de trabajo." Eso asegura que el material conformado sea uniforme throughout. La técnica se usa para cosas como revestimientos de caja de camión (incluyendo los nuevos revestimientos compuestos) y cielos de coche hechos con material tipo alfombra. Otro ejemplo listó es "compactación de polvo para hacer ruedas de óxido de aluminio."

Consideraciones de coste

En general, la inversión de capital para una prensa servo supera a la de prensas mecánicas o hidráulicas tradicionales. Pero hay costes operativos y factores relacionados que considerar que hacen esta comparación casi inútil. Además, no todas las prensas de un tipo dado son iguales, incluso para las mismas calificaciones de tonelaje/par.

Empecemos con consumo energético. Una prensa hidráulica debe mantener presión en las líneas para mover el pistón a demanda, y eso significa hacer funcionar las bombas a través de los ciclos. Eso compara desfavorablemente con una prensa servo, que usa electricidad solo cuando el pistón se mueve. Según Landowski, eso produce un "ahorro de energía de aproximadamente 50% con una prensa servo, dependiendo del tamaño de la máquina." Price se refirió a un estudio de la Universidad de Kassel, que encontró la prensa servo 90% eficiente en conversión energética, versus 57% para el sistema hidráulico comparable. Southwell dijo que Honda estudió sus propios sistemas y publicó el hallazgo que prensas servo entregaron un 30% de ahorro en consumo real de energía.

Southwell también indicó que algunas prensas AIDA usan un "sistema de gestión de energía 100% basado en condensadores." Esto almacena la energía de trabajo requerida en condensadores, que se recargan durante la parte no trabajadora de la carrera. Esto "reduce enormemente la carga pico", explicó, versus una prensa mecánica o hidráulica, que tienen un "pico enorme cuando enganchan por primera vez." El consumo de AIDA es "bastante plano. Así que tu pico de flujo real podría ser solo 20 a 30% de la carga pico de sistemas mecánicos o hidráulicos. Eso es crítico, porque las compañías eléctricas tienen que dimensionar la electricidad que entregan al cliente por la carga pico."

Josefiak contraargumentó que en un entorno de alta producción hay poco o ningún tiempo muerto, así que "realmente no importa demasiado" que las bombas hidráulicas estén funcionando continuamente. Y "en sistemas donde tenemos tiempos muertos largos de 10 minutos o más, podemos instalar un control de motor 'arranque suave' que apaga el motor para conservar energía." Curiosamente, aunque esta opción añade solo 2% a 3% del coste del sistema, Josefiak reportó que nunca ha habido una fuerte demanda para ello. Añadió que cambiar de bomba de desplazamiento fijo a bomba de desplazamiento variable también puede "reducir drásticamente nuestro consumo de energía en ralentí." Pero eso de nuevo es una opción que aún no se ha convertido en la norma en EE. UU.

Con todas sus bombas, válvulas, tuberías y mangueras, la tecnología hidráulica a menudo es criticada por ser más compleja y más intensiva en mantenimiento que sistemas basados en servo. Price dijo que sus prensas servo no requieren más que engrasar los husillos de bolas dos veces al año —y incluso eso es ser muy cauteloso. Por el contrario, mantén líneas hidráulicas bajo alta presión por meses, a través de ciclo tras ciclo, y tarde o temprano algo va a gotear o un subcomponente va a fallar. El contraargumento, dijo Josefiak, es que "nadie usa racores NPT ya. Hay una gama de sellos metal-metal y tipo anillo-O, construidos con mejores materiales, que han hecho un trabajo mucho mejor controlando fugas." Además, dijo, los componentes individuales son relativamente baratos y fáciles de reparar, mientras que "hacer reparaciones a un sistema servo es dramáticamente más caro."

Este último punto nos lleva al tema de dimensionar correctamente los componentes para el trabajo. Es cierto que si quemas un motor servo en pocos años estás ante una gran factura de reparación. Pero Price dijo que sus sistemas rutinariamente funcionan 20 años sin tales fallos, porque están diseñados con un factor de seguridad de 2,5x. Los drives están dimensionados para correr en la corriente continua del motor servo, en lugar del pico, así que la prensa puede sujetar la pieza indefinidamente sin sobrecalentarse y fallar.

Asimismo, los husillos de bolas tendrán una capacidad de carga dinámica de 2,5x la fuerza nominal de la prensa. Por ejemplo, el husillo de bolas en una prensa Promess de 40 kN tiene una capacidad de carga dinámica de 134 kN y una capacidad de carga estática de 320 kN. Price dijo que se puede esperar que tal sistema funcione sin fallo por 22+ años al correr un trabajo con fuerza media de 30 kN, con 16 ciclos/min sobre 14 horas/día. Compáralo con solo 32 semanas para un husillo de bolas nominal a 40 kN carga dinámica; incluso a una calificación de 80 kN, el sistema duraría menos de cinco años.