Hitachi Powdered Metals Logra Crecimiento del 400% en Producción Mediante Robótica en Mercado Laboral Ajustado

La Metalurgia de Polvos (PM), o sinterizado, es el proceso de compactar mezclas personalizadas de polvos elementales o de aleación en troqueles prefabricados para fabricar eficientemente piezas de máquina de complejidad variable. Una vez compactadas, las formas se calientan en un horno de atmósfera controlada para unir las partículas y endurecer las piezas.

También conocido como compactado en verde, el proceso produce componentes cerca de la forma final que típicamente usan más del 97 por ciento de la materia prima inicial en la pieza terminada. Mezclas personalizadas de aleación en polvo proporcionan la capacidad de producir piezas complejas, incluso intrincadas, que cumplen con las especificaciones de resistencia y tolerancia requeridas para aplicaciones altamente exigentes.

La planta de Hitachi Powdered Metal (USA) Inc. en Greensburg, Indiana, es una de las nueve instalaciones Hitachi de este tipo en el mundo. Se especializa en producir componentes de tren de válvulas y transmisión para proveedores automotrices de nivel 1 en EE. UU., con una presencia creciente entre fabricantes de motocicletas y equipos de jardinería.

Motivación Inicial

Hitachi Powdered Metals (HPM) comenzó una inversión gradual en robots industriales en la planta de Greensburg en 2005, impulsada por la aparición de un mercado laboral más ajustado y la oportunidad de producir un producto extremadamente frágil.

"Comenzamos con robots porque teníamos una pieza que hacer para un cliente que tenía dientes pequeños y frágiles que no podían ser manipulados manualmente, y en ese momento todas nuestras prensas de compactado eran atendidas a mano", dijo Gregory Owens, presidente de la planta HPM Greensburg. "Reducir costos laborales también fue un factor, pero poco después de la primera instalación, un importante OEM automotriz abrió una instalación de manufactura en la ciudad, y nuestro problema de costos laborales pasó a ser un problema de disponibilidad de mano de obra, ya que se volvió extremadamente difícil contratar y retener empleados".

En un esfuerzo por mantener bajos los costos y minimizar cualquier exposición durante el período de prueba inicial, HPM compró un robot ABB S3 usado, vintage 1993, de CIM Systems Inc. en la cercana Noblesville, Indiana. James Adams, quien se había unido a HPM varios años antes como ingeniero de desarrollo de manufactura, estaba familiarizado con CIM, el proveedor de valor de ABB Robotics con más antigüedad (es decir, integrador de sistemas) en EE. UU., por su trabajo con robots en su empleador anterior.

"CIM tenía un robot usado que nos permitiría adentrarnos en la automatización robótica, limitando nuestra exposición inicial por si no funcionaba como se esperaba", dijo Adams. "También nos proporcionaron el apoyo necesario con la programación e integración del sistema en la operación existente".

Reducción de Desechos, Mejor Asignación Laboral

Cuando las piezas de metal en polvo salen de la prensa, antes de ser endurecidas en el horno, pueden desmoronarse fácilmente incluso con el toque más ligero. Con el robot recién instalado, que cuenta con un electroimán para manipular la pieza, la tasa de desecho del nuevo producto pasó del 11 por ciento con atención manual al 0.5 por ciento.

"Cuando las piezas eran sacadas manualmente de la prensa había un daño considerable por manipulación. La pieza podía deformarse imperceptiblemente, pero no lo sabrías hasta que saliera del horno cinco horas después. Programados y equipados adecuadamente, los robots son mucho más suaves al manipular las piezas", dijo Adams.

El nuevo sistema permitió a HPM mover a varios de los operadores manuales de máquinas a posiciones menos monótonas en la planta, reduciendo el estrés de una tarea repetitiva y reasignando la mano de obra de manera más eficiente.

La Producción Aumenta 400 Por Ciento

Durante el siguiente año, HPM agregó cinco robots S3 usados más, aplicando lo aprendido del sistema inicial para automatizar otras prensas de compactado. Después de 18 meses, HPM había ahorrado lo suficiente en desechos y mano de obra para invertir en su primer robot nuevo.

Avancemos a 2019. Ahora con más de 200 robots instalados, la instalación de Greensburg tiene el mismo número de empleados que hace 10 años, pero produce cuatro veces el volumen, entregando fácilmente más piezas con menos personas que cualquiera de las plantas globales de PM de Hitachi.

"Una vez que se instaló el primer robot para la pieza frágil, se volvió muy obvio que realmente podíamos aprovechar la automatización robótica adicional", dijo Owens. "Los robots superaron con creces nuestras expectativas iniciales, y con la escasez de mano de obra que continuamos enfrentando, francamente creo que los robots nos salvaron de potencialmente no existir".

Con el éxito del primer robot, el ritmo de instalaciones subsiguientes fue constante. Tomó diez años alcanzar 100 robots instalados, y luego, a medida que el negocio y la economía continuaron mejorando, solo cuatro años más para alcanzar el robot 200 recientemente instalado.

Cuando surgieron oportunidades, HPM continuó comprando robots ABB usados en buen estado, aunque cada vez se agregaron más robots nuevos a la flota. De hecho, cada robot agregado desde el #147 en 2015 ha sido nuevo.

La base de instalación de HPM incluye una gama de robots ABB de seis ejes de rango pequeño y mediano, un robot Delta y varios modelos SCARA agregados recientemente. Junto con 350 empleados, la inversión en automatización se utiliza bien, operando tres turnos de cinco a seis días a la semana.

"Nuestra sede corporativa está en Japón", dijo Adams. "Una vez que vieron cómo funcionaban los robots y el rápido retorno de inversión, fueron muy apoyadores de nuestra agenda robótica".

Algunos de los robots, tanto nuevos como usados, son ABB Foundry Prime de ABB Robotics, Auburn Hills, Michigan. Son modelos con clasificación IP67 que tienen conexiones bien selladas que protegen el funcionamiento interno de los robots de los finos polvos metálicos con bordes afilados que flotan a través de la atmósfera de la planta. Los muchos modelos de robot estándar, con clasificación IP65, en la planta de HPM son robustos y han podido soportar el entorno polvoriento.

Expansión Continua

La proliferación de robots en HPM fue apoyada replicando aplicaciones existentes y expandiendo la automatización a otras funciones en la instalación.

Después de la instalación del primer robot atendiendo la prensa de compactado para el producto más frágil, Adams y su equipo automatizaron secuencialmente la extracción de compactos de otras prensas. Parte de este proceso era colocar cada pieza en una balanza para verificar su integridad. Una vez verificada, la pieza se colocaba en un transportador que llevaba al horno.

Resultaron eficiencias laborales adicionales, y, con el toque hábil del robot, la tasa de desecho de las piezas menos frágiles pasó del 7 por ciento al mismo 0.5 por ciento de la pieza inicial.

Al final del transportador, las piezas se colocan en bandejas de sinterizado que, cuando se llenan, se colocan en hornos para el proceso de endurecimiento. Este proceso de carga de hornos se convirtió en la segunda función principal en ser automatizada.

Continuando a un ritmo medido, luego se instalaron robots para quitar las piezas de las bandejas y colocarlas en pallets, mientras también insertaban divisores entre cada capa de pallet.

"A medida que nos familiarizamos más con los robots, tomamos lo que aprendimos y duplicamos aplicaciones alrededor de la instalación", dijo Adams. "La programación se volvió mucho más fácil, y en el último día de instalación de línea ajustaríamos programas existentes, copiar y pegar y estábamos operando en un par de horas".

RobotStudio, el software de simulación y programación fuera de línea de ABB, se convirtió en una herramienta valiosa para acelerar la creciente adopción de tecnología robótica de HPM. Construido en el VirtualController de ABB, una copia exacta del software real que ejecuta robots en producción, RobotStudio realiza simulaciones realistas, usando programas de robot y archivos de configuración idénticos a los usados en la planta. Con RobotStudio, Adams pudo diseñar el layout óptimo de celda y verificar su rendimiento antes de integrar los robots en una operación particular.

"Es el mejor software jamás desarrollado", dijo Adams. "Ahorra tiempo y dinero tanto en la creación de sistemas para nuevas aplicaciones como en la replicación de los que ya habíamos instalado en otras áreas de la planta".

Introducción de Visión

La relativa simplicidad de la replicación existe solo después de que una cierta aplicación ha sido instalada y refinada en la planta. Las nuevas aplicaciones a menudo son más desafiantes. Después de 18 meses y la exitosa integración de seis robots de atención a prensas, HPM tuvo la confianza para adoptar tecnología habilitada por visión, en su infancia en ese momento (2006), para automatizar robóticamente la compleja operación de acuñado, o represado.

Después de que las piezas salen del horno a menudo se deforman, lo que requiere que se coloquen en una prensa que las acuñe de nuevo para que estén rectas o planas. Muchas piezas tienen chavetas o dientes que necesitan ser colocadas en el molde con todos los aspectos alineados precisamente. Antes de la llegada de los robots, las piezas que se acuñaban eran manipuladas por un sistema de automatización dura que, con muchas variaciones de producto diferentes, requería cambios frecuentes y que consumían mucho tiempo. Los cambios eran tan largos que eran comunes acumulaciones de 250 lotes de producto, cada uno con aproximadamente 100 piezas.

Con el robot habilitado por visión no hay tiempo de inactividad. El robot es capaz de identificar la pieza de un grupo de muchas piezas diferentes, recogerla, orientarla radialmente y posicionarla con precisión en el represado.

Debido a que el sistema de visión necesitaba interactuar con la última tecnología de robot, este fue el primer robot ABB nuevo instalado en la instalación de Greensburg. Poco después de estar en funcionamiento, se compraron dos robots nuevos más para la misma aplicación.

"Antes de la instalación del robot de la estación de acuñado, el personal de represado trabajaba todos los días", dijo Adams. "Seis meses después de que se instaló el primer robot de visión, ya no había más acumulaciones y el personal ¡tenía sus fines de semana libres!"

Más Visión

HPM usó visión nuevamente más adelante en el último de los procesos principales en ser automatizado, el despaletizado de piezas que habían sido enviadas para tratamiento térmico especializado. Aunque las piezas se envían ordenadamente posicionadas en capas escalonadas en un pallet, regresan en relativo desorden y son difíciles de desapilar. Un robot ABB con visión integrada es capaz de encontrar las piezas y agarrarlas de forma segura para que puedan ser despaletizadas con seguridad.

"Esa es una de las capacidades únicas de los robots ABB", dijo Dave Fox, presidente de CIM Systems, quien ayudó a integrar los diversos sistemas de visión. "Las piezas están realmente desorientadas en los pallets, no en filas uniformes, con algunas boca abajo. Un robot típico de seis ejes tendría todo tipo de problemas de singularidad, llegando a una posición donde ya no puede moverse. Pero el robot ABB usando evitación avanzada de singularidad es capaz de encontrar las piezas, agarrarlas y colocarlas de forma segura en un transportador sin perder el ritmo".

Robots SCARA para Inspección de Calidad

No sorprendentemente, una búsqueda reciente de un sistema más eficiente para inspeccionar guías de válvulas llevó de nuevo a robots, en este caso un grupo de modelos ABB SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm), que típicamente se usan para ensamblaje de piezas pequeñas y manipulación de materiales.

El protocolo de HPM exige inspección del 100 por ciento de todas las guías de válvulas, lo cual es bastante una tarea dada la variedad de piezas que deben probarse: 30 variaciones de tamaño diferentes y 16 puntos de detección para cada pieza. Con el sistema de prueba de automatización dura prevaleciente incapaz de mantener el ritmo con el volumen, Adams comenzó a buscar un mejor sistema.

Después de examinar varias opciones, todas las cuales tenían demasiadas partes móviles y requerían ingeniería compleja, Fox sugirió diseñar un sistema alrededor de los robots SCARA, que ABB agregó a su cartera en 2016. Ciertamente eran lo suficientemente rápidos, con gran repetibilidad, y tenían una huella pequeña y una forma de montaje sin obstáculos que encajaba en un espacio confinado.

Se diseñó un sistema relativamente simple con tres robots SCARA recogiendo guías de válvulas individuales de un transportador tolva y presentándolas a cámaras de visión y un "comparador" estacionario en los diversos ángulos necesarios para acceder a los 16 puntos de detección. Las piezas que pasaban se colocaban en un transportador y las que no, en contenedores de rechazo.

Con la flexibilidad para manipular hábilmente cada variación de pieza diferente con similar facilidad, el sistema es capaz de inspeccionar una pieza cada dos segundos, un 30 por ciento más rápido que el método anterior. Dado que los movimientos se limitan a una distancia corta y las piezas son muy livianas, un robot de seis ejes no funcionaría tan efectivamente como el elegante SCARA de alcance limitado.

"Los SCARA son una gran adición a la cartera de ABB. Si no fuera por esa solución, Hitachi probablemente habría tenido que buscar otra tecnología para inspección de piezas", dijo Fox. "Fue agradable poder encontrar otra aplicación para robots, aunque esa no fue la primera opción que vino a la mente".

CIM Systems Siempre Presente

Una constante que ha estado en la escena desde el primer robot instalado en HPM hasta el día de hoy, ya sea en primer plano o en segundo plano, es CIM Systems. Siempre disponible cuando se necesita, CIM ha configurado a HPM con robots nuevos y usados, ayudado a programar y solucionar problemas, y quizás lo más importante, enseñado al personal de HPM a hacer muchas cosas por sí mismos.

Cuando HPM integró robots en una nueva aplicación, con visión o de otra manera, CIM hizo la configuración y programación, siempre teniendo en cuenta compartir su experiencia, incluido el uso de RobotStudio. Durante las ocasionales pausas en la línea de tiempo de adquisición de robots de HPM, CIM estaba disponible para actualizar programas, encontrar piezas de repuesto esquivas para modelos más antiguos, o ofrecer consejos sobre trabajar con robots a través de una gama de vintages.

"A medida que llegábamos a cada uno de los diferentes procesos, hacíamos que CIM hiciera la integración y programación inicial. Una vez que comenzamos a replicar procesos a través de la planta habíamos aprendido lo suficiente para hacer mucho nosotros mismos", dijo Adams. "Debido a su estrecha relación con ABB, Dave Fox siempre sabe cuándo viene nueva tecnología y qué robots serían óptimos para nuestras diversas aplicaciones. El apoyo que obtuvimos de CIM Systems y el servicio de ABB fue una combinación ideal".

Con una relación tan duradera, no es sorpresa que cuando el primer robot salió de la línea en la instalación de manufactura de ABB en EE. UU. en Auburn Hills en 2017, fue comisionado por CIM en HPM. El robot IRB 2400 único en su tipo fue pintado a medida en rojo, blanco y azul en la fábrica, y está posicionado prominentemente en la instalación de HPM, realizando tareas de inspección y paletizado.

"Estamos emocionados de haber podido adquirir el primer robot fabricado en América para HPM", declaró Fox. "Es especialmente significativo porque la planta de Indiana tiene la automatización más flexible de las muchas instalaciones globales de HPM".

Apoyo a Otras Instalaciones HPM

La gerencia corporativa de HPM en Japón tomó nota de las importantes mejoras de productividad que el equipo de Greensburg logró con robots, y en 2017 asignó a Adams y Owens a liderar una iniciativa de "Robótica Global" para apoyar a las otras plantas de metal en polvo de Hitachi alrededor del mundo a expandir su uso de robots.

El programa de dos años ha pasado el punto medio y las empresas afiliadas están comenzando a realizar mejoras significativas de productividad, incluso con los menores costos laborales en los otros países.

Adams ha configurado la función de Monitoreo Remoto de ABB en HPM para que él o miembros de su equipo puedan ver cómo operan los robots, y solucionar la mayoría de los problemas desde cualquier lugar fuera de la fábrica en una laptop, tablet o smartphone. Con los robots más nuevos, HPM espera aprovechar los Servicios Conectados ABB Ability – la oferta digital unificada, transversal e industrial de ABB – que proporciona datos en tiempo real sobre el estado y rendimiento del robot desde cualquier ubicación.

Planes Futuros

La misión continua de HPM incluye mejorar sus operaciones con automatización robótica.

"Esperamos crecer al 10 por ciento por año en el futuro previsible, y debemos hacer lo que podamos para seguir siendo competitivos", dijo Owens. "Estamos viendo qué piezas de transmisión podremos fabricar para vehículos eléctricos, y hemos puesto la mira en penetrar segmentos no automotrices como equipos pesados, donde el metal en polvo puede reemplazar piezas hechas de otros materiales a menor costo".

"Ciertamente anticipo que el ritmo de instalaciones de robots se mantendrá estable o incluso aumentará", dijo Owens.

Para información sobre Hitachi Powdered Metals (USA) Inc., visite www.hitachi-pm.us o llame al 812-663-5058. Para información sobre CIM Systems Inc., visite www.cimrobotics.com o llame al 317-773-5600. Para información de ABB Robotics, visite www.abb.com/robotics o llame al 248-391-9000.