Elegir la prensa adecuada

La tecnología de la prensa, ya sea mecánica, hidráulica o servo, desempeña muchas funciones

Hay opciones en las prensas, lo cual es bueno. El debate no es cuál es el mejor, sino cuál es el adecuado para el trabajo en cuestión. Existen compensaciones en costo, función y calidad entre los principales tipos de prensas que uno puede elegir.

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

Revisión rápida de la tecnología

Según Stephanie Price, ingeniera sénior de aplicaciones en Promess Inc, Brighton, Michigan, muchas personas en la industria no aprecian completamente las ventajas de la tecnología de servoprensas. Por el contrario, Mike Josefiak, ingeniero mecánico de Greenerd Press &Machine, Nashua, N.H., argumenta que una prensa hidráulica es la mejor solución para algunas aplicaciones. Y Jim Landowski, vicepresidente de Komatsu America Industries LLC, con sede en Chicago, le diría que todavía hay situaciones en las que una prensa mecánica tradicional está bien.

Una prensa mecánica convierte el movimiento de rotación de un volante en el movimiento lineal del ariete que presiona la pieza de trabajo. Como lo describió Landowski, puedes “imaginar el círculo, con cero en la parte superior y 180 en la parte inferior. Una prensa mecánica va de cero a 180 y vuelve a cero, o 360, en un movimiento continuo”. El golpe no tiene fuerza en la parte superior y la fuerza máxima en la parte inferior, por lo que “dependiendo del troquel, puede comenzar a empujar el material a 160 grados más o menos. Pero cuando llega a 180, la pieza está terminada, porque la diapositiva vuelve a subir”.

Como explicó Bob Southwell, vicepresidente ejecutivo de AIDA-America, Corp. en Dayton, Ohio, la mayoría de las servoprensas son versiones del mismo arreglo, "excepto que está impulsando un tren de transmisión mecánica con un servomotor, en lugar de un volante de inercia". con un mecanismo de freno de embrague.” Una prensa mecánica tiene una carrera fija y una velocidad constante. Pero “agrégale un servomotor y ahora podrás programar el perfil de movimiento. Puede reducir la velocidad, hacer una pausa, realizar un reencendido rápido y hacer varias cosas que nunca fueron posibles con una prensa mecánica estándar”. También existe una versión de accionamiento directo (servomotor a husillo de bolas), con mejores características de par que el híbrido servomecánico.

Una prensa hidráulica combina un conjunto de bombas, válvulas y mangueras para acoplar el ariete con fluido presurizado. Si bien este enfoque tiene ventajas, no incluye el tipo de control de movimiento mencionado anteriormente. Por lo tanto, una servoprensa ofrece capacidades adicionales y resuelve una serie de problemas que ocurren con prensas hidráulicas o mecánicas puras.

Nuevos materiales, nuevos desafíos

Landowski observó que el cambio hacia aleaciones avanzadas provocado por el peso ligero de los automóviles y otros factores está impulsando la demanda de servoprensas. Como él mismo 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 en la velocidad del ariete para “permitir que el material fluya correctamente o, de lo contrario, se vuelve como un caramelo y comienza a desmoronarse”. Por ejemplo, dijo, formar una copa en una aleación dura podría requerir una desaceleración de 30 a 15 IPM en el transcurso de una carrera de 3" (76,2 mm), a una velocidad de cambio precisa, y quizás variable.

Solo un servocontrol podría manejar esto, dado que los ajustes ocurren en milisegundos.

La principal ventaja de un servo, afirmó Landowski, es la flexibilidad para trabajar con diferentes metales marcando el flujo de material. “Es por eso que tenemos personas que vienen a probar varias opciones. Puedo hacer una parte buena o una parte mala simplemente cambiando la velocidad del deslizamiento”.

Southwell estuvo de acuerdo e informó que estos desafíos materiales han resultado en una participación de mercado de servoprensas de aproximadamente el 80 por ciento en la fabricación automotriz de América del Norte. “Los aceros y aluminios de alta y ultra alta resistencia son mucho más difíciles de moldear que los materiales de hace diez o quince años. Y la capacidad de un servo para ajustar el perfil de formación ha demostrado ser extremadamente beneficiosa para la base de clientes”.

Josefiak de Greenerd estuvo de acuerdo en que el servocontrol tiene una ventaja en el tiempo de respuesta en comparación con el sistema hidráulico, en el que la respuesta se amortigua, pero dijo que no había "visto muchas aplicaciones en las que ese nivel de control en el perfil de movimiento impacte materialmente si hace o no un buen producto." Pero reconoció que “reencender es un buen ejemplo de una función solo de servo. Ir al fondo y luego volver a golpear en una fracción de segundo no es algo que puedas hacer con la hidráulica”.

Si no necesita controlar la velocidad, argumentó Landowski, es posible que no necesite un servo.

“Si está haciendo arandelas, por ejemplo, o pequeños remaches o algo así, no va a reducir la velocidad de la prensa, no va a controlar la velocidad. Quieres hacer tantas partes como puedas, lo más rápido que puedas”. Ahí es donde brilla una prensa mecánica, dijo. También es donde las prensas hidráulicas son menos apropiadas.

Versatilidad de servo en el montaje

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

“La mayoría de los sistemas de prensa están diseñados para ejecutar múltiples tipos de piezas. Ejecutarán una herramienta durante una hora, la cambiarán y colocarán otra herramienta. Prácticamente nadie configura una prensa y simplemente la ejecuta... No hay forma de que puedan seguir siendo competitivos. Vendemos muchos sistemas a los fabricantes de equipos originales a través de Tier Ones y Tier Twos para grandes familias de diferentes piezas o juegos de troqueles a través de una sola prensa”.

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

Siguiendo con un ejemplo automotriz, Price señaló el montaje de una bisagra de puerta. Explicó que una servoprensa ofrece alta precisión y un circuito de retroalimentación inherente capaz de monitorear de cerca la posición y la fuerza. Por lo tanto, al presionar las bisagras, Promess también puede medir la resistencia resultante en la unión, de modo que puedan garantizar que la puerta no se abra con demasiada facilidad ni sea demasiado rígida para ser incómoda para el propietario del automóvil.

Esta capacidad de activar una pieza móvil y medir fuerzas en tiempo real también brinda la oportunidad de aflojar las tolerancias de las piezas, lo que reduce los costos de los componentes. Como explicó Price, sin comentarios durante el ensamblaje, los ingenieros a menudo se ven obligados a diseñar y fabricar con tolerancias muy estrictas para garantizar que las piezas encajen correctamente.

“Utilizan el hecho de que la prensa llegó a cierta profundidad y, en función de sus estrictas tolerancias, suponen que la pieza se ensambló correctamente. No tienen un análisis de firma para verificar eso”.

Con una servoprensa, podrían aflojar las tolerancias y observar los datos durante el proceso de ensamblaje para determinar que lo que han presionado está realmente asentado correctamente. Price dijo que las capacidades de detección integradas de sus servoprensas han producido reducciones en la tasa de desechos de hasta un 50 por ciento en algunos casos.

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

“Tenemos clientes que usan de nueve a diez transductores de presión, transductores de posición o celdas de carga externas diferentes. Podemos tomar toda esa información para entender lo que está pasando dentro del proceso”, dijo. “Y podemos reaccionar a eso durante el proceso. Y debido a que todo es eléctrico, es muy simple de configurar. Simplemente conecte un transductor a un acondicionador de señal digital. El controlador puede tomar esa señal y usarla para tomar una determinación”.

Prensas, Control y Compensaciones

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

Según Southwell, las servoprensas son mucho mejores que las hidráulicas para fabricar piezas complejas que requieren una serie de troqueles. Hace años, esto se habría hecho transfiriendo piezas a mano de una prensa a otra, explicó. Pero ahora “la única forma de competir” es transferir piezas mecánicamente de una etapa a otra dentro de una sola prensa. Pero "cuando usa varias estaciones para hacer una pieza, tiene una carga descentrada, lo que es muy perjudicial para un tren de transmisión hidráulica".

Josefiak respondió que “la carga descentrada es perjudicial tanto para los sistemas mecánicos como hidráulicos. Ambos manejan estas cargas descentradas con la construcción adecuada y la guía de la estructura de acero. Tenemos sistemas que utilizan múltiples cilindros hidráulicos para permitir una carga descentrada mucho más grande que una prensa servomecánica comercial”.

También existe cierta controversia sobre las aplicaciones que requieren el uso de aceite de calidad alimentaria como lubricante. Landowski informó que “varios clientes han cambiado de prensas hidráulicas a servomecánicas únicamente debido a que los cilindros gotean y las guías deslizantes gotean sobre el material. Todas las piezas deben limpiarse después de que se forman para eliminar cualquier posible contaminación. Los clientes también nos han dicho que la limpieza de lubricantes de grado alimenticio es menos costosa que la de grado no alimenticio debido a las normas de la FDA o la EPA”.

Josefiak dijo que han cumplido con los estándares médicos y de seguridad alimentaria en una serie de proyectos "al modificar el sellado en sus prensas para usar aceite de grado alimenticio en lugar de aceites industriales estándar". Mientras que Landowski afirmó que su servoprensa estándar lista para usar no necesita ninguna modificación, "solo el aceite de grado alimenticio para el accionamiento de la prensa y el lubricante deslizante". Un cliente “hace tapones de goma para tubos de ensayo. Cada golpe de la prensa libera de 65 a 75 tapones de goma, y ​​los lubricantes que no sean de grado alimenticio invalidarían este proceso en particular”.

El sistema hidráulico conquista la embutición profunda

Según Southwell, “la ventaja de una prensa hidráulica es que tiene la capacidad total de tonelaje o fuerza durante todo el recorrido. Entonces, si es una prensa de 200 toneladas y tiene un recorrido de doce pulgadas, puede aplicar 200 toneladas de presión durante todo el recorrido. Con una servoprensa que tiene el mismo tren de transmisión excéntrico mecánico que la prensa mecánica original, tiene engranajes, el cigüeñal o un eje céntrico y una transmisión de engranaje central. Hay una curva de tonelaje o par, y la fuerza que puede aplicar varía según el ángulo del eje del motor con respecto a la parte inferior”. Este no es el caso de las servoprensas de transmisión directa como las fabricadas por Promess, pero estos sistemas se vuelven muy costosos a medida que aumenta el tonelaje. Promess alcanza un máximo de 1 MN (~100 toneladas) en un solo cilindro, por ejemplo.

La capacidad de aplicar toda la fuerza durante todo el recorrido hace que las prensas hidráulicas sean perfectas para aplicaciones de embutición profunda, y Josefiak llegó a decir que es "la única opción que realmente tiene sentido".

Un ejemplo reciente que citó es un proyecto para producir “tanques de presión relativamente grandes. Instalamos un sistema automatizado que carga espacios en blanco grandes y planos en una prensa de embutición profunda que tiene una carrera de trabajo de metro y medio”. El sistema tiene múltiples operaciones, explicó. El primero utiliza una prensa de 170 Ton para dibujar dos mitades del tanque. A esto le sigue una punzonadora automatizada y un recorte y soldadura aguas abajo. La clave aquí, dijo Josefiak, es que un trazo de trabajo de este tipo “no es algo que se pueda replicar fácilmente con una servoprensa. La extracción tan profunda es un área donde la hidráulica aún domina. Y eso es en bastantes industrias. Es más el proceso que la industria”.

Josefiak dijo que el sistema hidráulico también "funciona muy bien en situaciones con un tiempo de ciclo muy largo, donde podemos administrar un consumo de energía muy bajo con una presión constante en toda el área del lecho y de manera relativamente económica desde la perspectiva del costo de capital". El moldeo por compresión ofrece un ejemplo importante. “Por lo general, el moldeo por compresión va a ser una combinación de tiempo, temperatura y presión para dar forma a un material”, explicó Josefiak. La prensa mantendría un material relativamente delgado contra una matriz positiva o negativa bajo presión. “La duración podría ser tan corta como cinco segundos o tan larga como dos horas. Y muy a menudo... estamos tratando de mantener una temperatura de placa constante en el área de trabajo de alrededor de 300 a 700 grados, y tratando de controlar una presión muy constante en el área de trabajo". Eso asegura que el material que se está formando sea uniforme en todas partes. La técnica se utiliza para cosas como revestimientos de cajas de automóviles (incluidos los nuevos revestimientos de cajas compuestos) y revestimientos de techos de automóviles hechos con un material similar a una alfombra. Otro ejemplo que enumeró es "compactación de polvo para fabricar muelas abrasivas de óxido de aluminio".

Consideraciones de costos

En términos generales, la inversión de capital para una servoprensa supera la de las prensas mecánicas o hidráulicas tradicionales. Pero hay costos operativos y factores relacionados a considerar que hacen que esta comparación sea casi inútil. Además, no todas las prensas de un tipo dado son iguales, incluso para las mismas clasificaciones de tonelaje/par.

Comencemos con el consumo de energía. Una prensa hidráulica debe mantener la presión en las líneas para mover el ariete según se requiera, y eso significa hacer funcionar las bombas a través de los ciclos. Eso se compara desfavorablemente con una servoprensa, que usa electricidad solo cuando el ariete se está moviendo. Según Landowski, eso produce aproximadamente un "50 por ciento de ahorro de energía con una servoprensa, según el tamaño de la máquina". Price se refirió a un estudio realizado por la Universidad de Kassel, que encontró que la servoprensa tiene una eficiencia del 90 por ciento en la conversión de energía, frente al 57 por ciento del sistema hidráulico comparable. Southwell dijo que Honda estudió sus propios sistemas y publicó el hallazgo de que las servoprensas generaron un ahorro del 30 por ciento en el consumo de energía real.

Southwell también indicó que algunas prensas AIDA utilizan un "sistema de gestión de energía basado en condensadores al 100 por ciento". Esto almacena la energía de trabajo requerida en condensadores, que se recargan durante la parte de la carrera que no funciona. Esto "reduce enormemente la carga máxima", explicó, en comparación con una prensa mecánica o hidráulica, que tienen un "gran pico cuando se acoplan por primera vez". El sorteo actual de AIDA es “bastante plano. Por lo tanto, su flujo máximo real podría ser solo del 20 al 30 por ciento de la carga máxima de los sistemas mecánicos o hidráulicos. Eso es fundamental, porque las compañías eléctricas tienen que dimensionar la electricidad que entregan al cliente según la carga máxima”.

Josefiak respondió que en un entorno de alta producción hay poco o ningún tiempo de inactividad, por lo que “realmente no importa demasiado” que las bombas hidráulicas funcionen continuamente. Y "en los sistemas donde tenemos largos tiempos de inactividad de 10 minutos o más, podemos instalar un control de motor de 'arranque suave' que apaga el motor para conservar energía". Curiosamente, aunque esta opción agrega solo entre un 2 y un 3 por ciento del costo del sistema, Josefiak informó que nunca ha habido una gran demanda por ella. Agregó que cambiar de una bomba de desplazamiento fijo a una bomba de desplazamiento variable también puede "reducir drásticamente nuestro consumo de energía inactiva". Pero, nuevamente, esa es una opción que aún no se ha convertido en la norma en los EE. UU.

Con todas sus bombas, válvulas, tuberías y mangueras, la tecnología hidráulica suele ser criticada por ser más compleja y requerir más mantenimiento que los sistemas basados ​​en servomotores. Price dijo que sus servoprensas no requieren más que engrasar los husillos de bolas dos veces al año, e incluso eso es ser muy cauteloso. Por el contrario, mantenga las líneas hidráulicas bajo alta presión durante meses, ciclo tras ciclo, y tarde o temprano algo tendrá fugas o un subcomponente fallará. El contraargumento, dijo Josefiak, es que “ya nadie usa conexiones NPT. Hay una variedad de sellos de metal con metal y de estilo de junta tórica, construidos con mejores materiales, que han hecho un trabajo mucho mejor para controlar las fugas”. Además, dijo, los componentes individuales son relativamente económicos y fáciles de reparar, mientras que "reparar un servosistema es mucho más costoso".

Este último punto nos lleva al tema de dimensionar correctamente los componentes para el trabajo. Es cierto que si quema un servomotor en unos pocos años, tendrá que pagar una gran factura de reparación. Pero Price dijo que sus sistemas funcionan de forma rutinaria durante 20 años sin fallas de este tipo, porque están diseñados con un factor de seguridad de 2,5 veces. Las unidades están dimensionadas para funcionar con la corriente continua del servomotor, en lugar del pico, de modo que la prensa pueda retener la pieza indefinidamente sin sobrecalentarse ni fallar.

Asimismo, los husillos de bolas tendrán una capacidad de carga dinámica de 2,5 veces la fuerza nominal de la prensa. Por ejemplo, el husillo de bolas de 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 un sistema de este tipo funcione sin fallas durante más de 22 años cuando se ejecuta un trabajo con una fuerza promedio de 30 kN, con 16 ciclos/min durante 14 horas/día. Compare eso con solo 32 semanas para un husillo de bolas clasificado para una carga dinámica de 40 kN; incluso con una clasificación de 80 kN, el sistema duraría menos de cinco años.