Acelere la manipulación de piezas: Cómo el software CAD/CAM reduce el tiempo de configuración y aumenta la eficiencia

Los avances en software se centran en mejoras de trayectorias, reducción del tiempo de configuración, integración con bibliotecas digitales de herramientas y mejora de herramientas de simulación, verificación y análisis

Pregunte a casi cualquier proveedor de CAD/CAM en qué se centran y le dirán que es lo mismo hoy que hace cinco años, y será lo mismo dentro de cinco: Llegar la pieza a la máquina lo más rápido posible y sacarla de la máquina lo más rápido posible. Aquí está el estado actual en esas dos áreas principales.

Ha habido varios cambios en el software CAD/CAM en los últimos años para aumentar la eficiencia y reducir el tiempo de configuración. Pero "no hay bala de plata", como dijo Vyncent Paradise, director de desarrollo de producto para NX CAM, Siemens PLM Software (Plano, TX). Se refirió a la automatización como la ayuda más importante, incluyendo el uso de plantillas predefinidas más el uso creciente de información de producto y manufactura (PMI) dentro de los archivos CAD.

"Siempre estamos intentando agregar más información al proceso de modelado CAD que pueda usarse posteriormente en CAM, como tolerancias y requisitos de acabado", explicó Paradise. "Y si puedes leer el modelo digital inteligente, puedes usarlo para elegir automáticamente métodos de mecanizado basados en la tolerancia requerida".

Alan Levine, director gerente de Open Mind Technologies USA (Needham, MA), hizo eco del valor de automatizar la programación CAM mediante el uso de macros que almacenan las mejores prácticas de un taller. "Digamos que te gusta taladrar tus agujeros profundos de cierta manera, con diferentes pasos de picado y avances. Facilitamos guardar estos procesos como macros para que el programador no tenga que pasar continuamente por estos pasos", dijo. El software de Open Mind también ayuda a los usuarios a categorizar las macros, facilitando su búsqueda y aplicación. Además, un módulo Asistente de Programación automatiza ciertas tareas de configuración que difieren de taller a taller pero generalmente están estandarizadas dentro de un taller dado, como dónde establecer el punto cero.

El módulo hyperCAD-S en el software hyperMILL de Open Mind acelera las tareas orientadas a CAD para programadores NC al facilitar la selección de puntos, curvas, caras, sólidos o mallas poligonales. Levine dijo que los elementos pueden agregarse, eliminarse, modificarse, mostrarse u ocultarse rápidamente, y todas las funciones están adaptadas a las tareas de los programadores NC. Más allá de eso, el módulo incluye el posicionamiento de fijaciones, proporcionando la capacidad de ajustarse para coincidir con el lado de la pieza que el usuario está mecanizando. Por ejemplo, elementos como mordazas de sujeción pueden moverse lineal o radialmente a la posición óptima.

En la misma línea, Mark Gadsden, gerente de marketing de producto para PowerMill y FeatureCAM en Autodesk (San Rafael, CA), señaló que los operadores que usan FeatureCAM no tienen que programar una máquina etapa por etapa; en su lugar, la programan usando términos cotidianos del taller, como 'tornear', 'taladrar', 'atornillar', etc. "Tiene suficiente inteligencia para reconocer necesidades y requisitos de dichos términos y adoptará automáticamente la velocidad y fuerzas de torsión correctas sin tener que ser instruido, línea por línea".

Gadsden también señaló la capacidad de Reconocimiento Automatizado de Características Dirigido (DAFR) de FeatureCAM que "reconoce automáticamente agujeros, protuberancias, lados y bolsillos en un solo flujo de trabajo, lo que permite una programación más rápida. Mientras que el AFR estándar corta el modelo en el eje Z activo y produce características completas a medida que avanza por el modelo, DAFR permite a los usuarios seleccionar las características que desean incluso antes de que comience el reconocimiento. Minimiza el tiempo de programación y ayuda a reducir el tiempo de ciclo. En una ruptura con la convención, DAFR también puede usarse en proyectos de torneado. Da a los usuarios la opción de elegir ángulos de indexación. Esto ayuda a reducir el número de movimientos en el eje Z requeridos y así acelera el corte".

Daniel Remenak, gerente de producto para 3D Systems (Rock Hill, SC), también habló de ayudas de programación que van más allá del fresado: "El producto MTM de GibbsCAM proporciona una solución completa de mecanizado para máquinas multitarea, permitiéndole programar fresado, torneado y otras operaciones en múltiples husillos para acceder a todos los lados de una pieza, y asistiendo con sincronización y operaciones automáticas de transferencia de piezas, lo que puede permitir mecanizado de una sola configuración sin supervisión. De manera similar, el Sistema de Gestión de Tumba de GibbsCAM ofrece diseño automático de una o múltiples tareas en fijaciones de tumba, permitiendo que la máquina se utilice a tiempo completo mientras se configura la siguiente tumba fuera de la máquina".

Ben Mund, analista senior de mercado en CNC Software (Tolland, CT), desarrollador del software Mastercam, señaló que la mayoría de los talleres reciben archivos de piezas de una variedad de clientes en una variedad de formatos. "Así que una gran parte de nuestro enfoque ha sido crear herramientas CAD para mecanizadores diseñadas para preparar una pieza y ponerla en una máquina más rápido. Cosas como relleno de agujeros, creación de fijaciones y reparación de superficies o sólidos a menudo llegan corruptos o incompletos". Mund añadió que los mecanizadores a menudo lidian con situaciones que el diseñador puede no haber considerado al modelar la pieza, otro impulso para dar al mecanizador capacidades CAD especializadas.

Simulando o ignorando

La simulación de mecanizado tridimensional ha sido una gran ayuda de programación y sigue mejorando. Tome la simulación de la máquina herramienta completa, incluyendo carga robótica e incluso el logotipo en la puerta corrediza. Puede que no sea necesario desde el punto de vista del mecanizado, pero como observó Mund:

"El operador va a pasar una herramienta a través de un trozo de metal. Cualquier cosa que puedas hacer para aumentar su confianza en la precisión es bueno. Y es una excelente manera de infundir confianza en la verificación en general". Añadió que para máquinas multitarea complejas, simular cada detalle se vuelve importante porque de lo contrario es difícil para el programador prever y evitar colisiones.

Remenak estuvo de acuerdo en que los proveedores de CAM están ampliando la amplitud de lo que se simula, "ya que los programadores exigen simulación precisa para nuevos tipos de mecanizado, como torneado por interpolación, whirling de roscas y torneado poligonal, bruñido, o incluso procesos de deposición aditiva de metal".

Paradise de Siemens hizo la interesante observación de que "los sistemas CAM han sabido mucho más sobre la trayectoria de herramienta de lo que poníamos a disposición de los programadores. Pero hemos comenzado a mostrar mucha más información de trayectoria de herramienta en los últimos años". Ejemplos incluyen mostrar el ángulo de la herramienta, el espesor del material restante, e indicar si hay un problema, llevando al programador directamente a ese punto.

"Todo suena muy obvio pero es bastante nuevo", señaló. "Estas cosas pueden ser bastante importantes para un programador que intenta entender qué está pasando o intentando lograr un acabado excepcional". Y aunque la detección automática de colisiones ha sido un atributo común en paquetes CAM, no siempre facilitaban al programador averiguar dónde y por qué. Paradise dijo que eso está cambiando. "Estamos dando a los usuarios información más precisa sobre lo que está pasando para ayudarles a crear mejores operaciones de mecanizado".

Mund de CNC Software añadió que la codificación por colores del movimiento ayuda. "De un vistazo puedes ver velocidades y avances, o el tipo de movimiento, o el tipo de herramienta que se usa". Hizo eco de la visión de Paradise de que el CAM moderno ofrece tanto herramientas amplias de análisis de trayectoria para verificación y lo que produce el programa, más herramientas de análisis que dejan al programador "entrar y desarmar un pedazo de movimiento y ver los números que lo impulsan. Es menos común que la gente necesite eso, pero cuando lo hacen es importante que lo tengan".

Por el contrario, a veces es mejor no mostrar las cosas exactamente como son. Mund dijo que la transición de CAD a CAM puede ayudarse dando al mecanizador la capacidad de suprimir temporalmente una característica, como un radio en una esquina de la pieza, para facilitar el mecanizado.

Según Paradise, también hay momentos en que ayuda reducir el detalle del modelo CAD mientras se le dice al programa CAM que mecanice características en esa área. "Ahorro tiempo de modelado. Ahorro tamaño de archivo. Y automatizo mi CAM. Todo en el mismo proceso". Este último ejemplo nos recuerda que, como Autodesk, Siemens PLM ofrece un paquete CAD/CAM completo con NX.

Finalmente, Paradise argumentó que no toda la simulación CAM es igualmente precisa y fluida. "Impulsamos nuestra simulación dentro de NX CAM usando el G-code final que irá a la máquina herramienta. El postprocesamiento está integrado en el sistema. Así que inmediatamente al programar una trayectoria, el sistema generará G-code y usaremos ese G-code para impulsar la simulación".

Paradise dijo que la mayoría de los paquetes CAD/CAM usan un producto de terceros para la simulación de mecanizado. "Tienes que exportar G-code de tu postprocesador e importarlo a un sistema diferente. Y tienes que replicar tu modelo de máquina, sujeción y herramientas de corte en ese sistema también. Luego ejecutas tu simulación impulsada por G-code allí. Y si hay una modificación de diseño o un problema, tienes que volver a tu sistema CAM, hacer un cambio, y pasar por el ciclo de nuevo. Somos únicos en hacer todo eso dentro de NX CAM al vuelo".

Piezas fuera

La capacidad de programar automáticamente la velocidad de avance óptima basada en un análisis volumétrico del material justo delante del cortador es quizás el tema más candente en la búsqueda de reducir tiempos de ciclo. Cada proveedor de CAM ofrece la capacidad, con diferentes nombres y variaciones en las operaciones y configuraciones de ejes. En Mastercam se llama Dynamic Motion porque, como explicó Mund, el software "está cambiando constantemente el engagement de la herramienta para que la carga de viruta permanezca constante".

Un ejemplo fácil es ir rápido en una sección recta y reducir velocidad en una esquina, mientras que la forma antigua de programar el corte sería establecer una velocidad de avance que la herramienta pudiera sobrevivir en la esquina y aplicar la misma tasa para toda la periferia.

El objetivo también es mantenerse enganchado con la pieza de trabajo tanto como sea físicamente posible, distinguiendo la técnica tanto del desbaste convencional como del mecanizado trocoidal, que corta una sección de la pieza y luego gira para cortar otra pequeña sección. Cuando se ve desde arriba, las trayectorias de Dynamic Motion pueden parecer caóticas en comparación, mientras que las virutas son consistentes en tamaño y forma. También es mejor para el cortador, porque el desenganche y reenganche contribuye al desgaste de la herramienta.

Mund añadió que otro ideal es usar tanto como sea posible la superficie de corte de la herramienta, haciendo cortes axiales profundos, "aunque un poco menos profundos radialmente que en el mecanizado convencional. Parece contraintuitivo pero es mucho más rápido hacer un corte axial más profundo con un engagement radial menos profundo versus escalonar con una serie de cortes radiales profundos".

Mund reconoció que la mayoría de los paquetes CAD/CAM tienen una técnica similar y dijo que se ha "convertido en la forma estándar tanto de desbaste complejo como de acabado 2D en los últimos años. Es lo más cerca que hemos estado de crear un tipo de trayectoria universalmente beneficioso. Hemos visto talleres con máquinas más antiguas y herramientas no premium reducir el tiempo de mecanizado en un 50 a 60%".

El enfoque de Open Mind fue licenciar el kit básico VoluMill de Celeritive Technologies Inc. (Moorpark, CA) y agregar sus propios métodos para cosas como rebanado para obtener múltiples profundidades, seccionado y verificación de colisiones. Dada la personalización, eligieron un nombre distinto para el producto: Maxx Machining desbaste.

Levine dijo que el aspecto más único de la implementación es extenderlo al mecanizado de cinco ejes. "Si tienes un componente con forma como un molde de neumático o una carcasa de motor de avión, podemos presentarlo [con] trayectorias de desbaste de cinco ejes. Si usas CAM tradicional en una superficie curva como un molde de neumático, haces muchos cortes en Z y terminas con muchos escalones en esa superficie. Cuando aplicamos desbaste de alto rendimiento en cinco ejes, nos adaptamos a la forma, dejando una cantidad constante de material para la trayectoria de acabado. Todo el proceso se mueve mejor y puedes ahorrar muchos cortes de limpieza intermedios".

Mund dijo que Mastercam recientemente agregó Dynamic Motion a desbaste y torneado de cinco ejes, y Gadsden dijo que el nuevo "inclinación automática del eje de herramienta ... proporciona una solución única que ayuda a generar movimiento de cinco ejes suave y seguro para todas las formas de modelo y tipos de trayectoria, haciéndolo tan fácil crear programas de cinco ejes como con código de tres ejes".

GibbsCAM también usa VoluMill y Remenak lo acredita con mejoras dramáticas en tiempo de corte y vida de herramienta. Añadió que "avances recientes han aplicado las lecciones aprendidas en estos algoritmos de fresado de alta eficiencia al torneado, y el resultado es una nueva generación de trayectorias de torneado como VoluTurn, disponible en GibbsCAM 12. Estas nuevas trayectorias de torneado ofrecen altas tasas de remoción de material mientras reducen tensiones en máquina y herramienta para mejorar calidad de corte y vida de cortador".

Reduciendo tiempo sin corte

Naturalmente, el CAM moderno también minimiza el tiempo sin corte reduciendo tanto alturas como distancias de elevación. "La altura de elevación suena como una cosa pequeña pero puede hacer una gran diferencia en una pieza grande", observó Paradise. También está interesado en la importancia de suavizar el desplazamiento de trayectorias tanto de corte como sin corte.

"La forma fácil de lidiar con movimiento sin corte es decirle a la máquina que se detenga, eleve, y se mueva rápidamente a un punto sobre la próxima área de mecanizado, se detenga de nuevo, baje, y enganche. Eso está bien para unos pocos movimientos, pero si es una pieza que mecanizarás con el tiempo, esto podrían ser miles de tales movimientos en exactamente las mismas posiciones en la mecánica, y eso daña la máquina. También es más lento. Calcular la curva apropiada e incorporar aceleración y desaceleración en cada extremo es la mejor manera. Por ejemplo, un gran cliente recientemente ahorró un 10% en tiempo de ciclo en cientos de sus máquinas solo suavizando las trayectorias sin corte".

Suavizar el tiempo sin corte no requiere un control sofisticado ni una máquina cara. Es una forma fácil de aumentar la productividad incluso de una máquina económica. Y como también reduce el desgaste de la máquina, aumenta la longevidad de la máquina.

Otros avances emocionantes

Mejoras adicionales incluyen el nuevo ciclo de desbaste optimizado 3D en hyperMILL de Open Mind, que ha sido mejorado para aplicaciones con cortadores de alto avance (que toman cortes poco profundos con grandes avances laterales). La distancia de avance lateral puede calcularse a partir de la altura de la escoria medida contra la geometría del cortador de alto avance y un movimiento de trayectoria especial elimina material residual en esquinas cuando hay un gran avance lateral.

Levine dijo que el secreto es modelar con precisión la geometría del fondo del cortador, mientras que "otro software aproxima un cortador de alto avance como un cortador toroidal con un radio de esquina. El fondo de un cortador de alto avance en realidad tiene un radio efectivo grande y lo modelamos como tal".

Un beneficio es poder mecanizar más cerca de paredes porque el software sabe dónde la geometría del cortador deja espacio, mientras que las simulaciones que aproximan el cortador con un fondo plano ven contacto donde no hay ninguno. Levine añadió que modelar el cortador también permitió mejores cálculos para la distancia entre cortes adyacentes para controlar la calidad de superficie.

Otra característica de Open Mind que no se limita a cortadores de alto avance es "división inteligente de cortes". Si, por ejemplo, una sección de una pieza requería la remoción de 4.1" (104 mm) de material y el programador especificaba un avance lateral de 1.0" (25.4 mm), el último corte sería muy delgado (y podría ser incluso más delgado que este ejemplo). Además de ser ineficiente, mecanizar tales virutas puede ser muy perjudicial en algunos materiales, dijo Levine. "Así que ofrecemos esta opción para anular los avances laterales prescritos, recalculando basado en el número total de pasos para que cada corte retire material equivalente".

Finalmente, muchas empresas están permitiendo el uso de "fresas de extremo de segmento circular" y otros diseños cónicos de barril nuevos. (Ver "Nuevos diseños de herramientas impulsan corte más rápido que nunca", ME Tooling & Workholding, Primavera 2018). Como explicó Levine, tales herramientas presentan un radio efectivo tan grande como 1,500 mm, haciendo distancias de avance lateral de 6 y 8 mm una realidad para un acabado superficial superior con reducciones de tiempo de ciclo superando el 90%. "No tienes que cambiar cortadores para terminar áreas adyacentes como esquinas interiores redondeadas, y áreas de difícil acceso pueden mecanizarse de manera eficiente y segura", dijo.

Gadsden dijo que se asociaron con un cliente hace tres años para optimizar el mecanizado de cinco ejes de blisks muy complejos usando herramientas de barril y pudieron reducir los tiempos de ciclo de fresado de 200 horas a 35. "Eso es un ahorro del 83%, y también redujimos costos de herramientas en un 72%".

Otra área de mejora es la impresión 3D. Gadsden de Autodesk destacó la creciente disponibilidad de máquinas que combinan procesos sustractivos y aditivos. "Estas máquinas híbridas parecen destinadas a transformar cómo fabricamos piezas, pero presentan un desafío de programación para el software CAM porque los procesos aditivos no son solo los sustractivos al revés. Con esto en mente, Autodesk ha agregado herramientas especializadas a PowerMill para programar, controlar y simular procesos de manufactura aditiva de alta tasa".