Fabricación de piezas energéticas: Pioneering un futuro sostenible y renovable

Las preocupaciones por el cambio climático y los niveles globales de dióxido de carbono han puesto la energía verde más cerca del asiento del conductor en años recientes. Según la Revisión Energética Global de la Agencia Internacional de Energía (IEA), la mayoría de expertos esperan que las renovables produzcan casi el 30% de toda la electricidad en 2021, con generación eólica y solar aumentando 17% y 18% respectivamente.

A pesar de este crecimiento impresionante, los combustibles fósiles siguen dominando el mercado, con la IEA prediciendo que la demanda de carbón sola representará un 60% más que todas las renovables combinadas. Como resultado, las emisiones de CO₂ relacionadas con la energía están preparadas para alcanzar su segundo mayor aumento anual histórico, borrando cualquier reducción de gases de efecto invernadero impulsada por la pandemia.

Es una industria dinámica, pero una cosa es segura: el consumo energético global —sea cual sea su forma— seguirá creando nuevas oportunidades para talleres de mecanizado y otros fabricantes discretos. Carcasas de bombas y turbinas, cajas de cambios, secciones de raíz de molinos de viento, componentes de cabeza de pozo y perforación —estos son solo algunos de los componentes producidos diariamente por OEMs energéticos y sus proveedores Tier, muchos bastante grandes, pesados y hechos de materiales desafiantes como Inconel y acero Duplex.

A lo grande o nada

Las piezas grandes requieren máquinas grandes, sujeción grande y herramientas de corte grandes —todo lo cual exige gran inversión. Klaus Miller, vicepresidente de ventas de Absolute Machine Tools Inc., Lorain, Ohio, está encantado de ayudar con la primera. Señaló que los mercados de energía y aeroespacial han sido lentos los últimos dos años, aunque ambos parecen recuperarse ahora que lo peor de la pandemia queda atrás.

"Somos importadores de You Ji y otras marcas de maquinaria CNC", dijo Miller. "You Ji equipa algunos de sus equipos mayores con cojinetes de mesa hidrostáticos, haciéndolos populares con fabricantes de piezas energéticas. Porque estas máquinas pueden manejar cargas extremadamente pesadas en este y otros sectores de mecanizado, y ofrecen excelente precisión a largo plazo gracias a esta característica".

En un ejemplo reciente, Absolute instaló un torno vertical de torreta (VTL) You Ji con mesa de 4 m. La empresa que lo compró mecaniza grandes piezas energéticas, que Miller dijo vinieron fuerte tras el aumento de inversiones en energía limpia circa 2006 pero comenzaron a disminuir hace una década al moverse la manufactura offshore a China, Rumanía y otros proveedores de bajo coste. Esta nueva instalación podría indicar una reversión de lo que ha sido una tendencia larga.

Absolute también instaló un mandrinador de gran capacidad para un cliente local este año. Aunque la gerencia no reveló la aplicación específica, dijeron a Miller que era para trabajo energético y debía tener capacidad de carga de 155,7 kN (35.000 lbf). "Ya tenían una fresadora puente Johnford pero necesitaban algo mayor", dijo. "Aquí de nuevo, entre los cojinetes hidrostáticos y la masa pura de la máquina —58.967 kg (130.000 lb)— resultó ser la solución correcta".

Cuanto más pesado, mejor

La masa de la máquina es claramente importante al tomar cortes pesados y buscar precisión en piezas mayores que una camioneta. Miller y otros sugirieron que pocos fabricantes de máquinas herramienta hoy "las hacen como antes" y que muchos talleres han optado por modernizar sus Lucas, Giddings & Lewis y otro hierro viejo con controles CNC. Y aunque esta es una excelente forma de extender la vida de una inversión sustancial, llega un momento en que incluso el mejor equipo queda corto frente a su equivalente moderno, sin importar cuántas veces se haya actualizado.

Otra forma para que talleres maximicen estas inversiones es usar sus capacidades de mecanizado de piezas grandes para expandirse más allá del mercado energético. Por ejemplo, la industria de defensa es usuaria significativa de piezas supersize, al igual que minería, agricultura y construcción. Abordar tal trabajo significa que los talleres deben invertir en máquinas herramienta flexibles que se adapten fácilmente a variedad de piezas y presuman características que minimicen tiempo muerto.

Bernard Otto, director de soporte técnico y gestor de producto para productos Kiwa Japan y OKK Japan en Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., tiene varias recomendaciones. Señaló que numerosos clientes de Methods apoyan la industria del fracking, produciendo bombas, carcasas y componentes grandes similares. Ser competitivo aquí no solo significa remover grandes cantidades de material de fundiciones y forjados de acero eficientemente, sino mantener el husillo girando siempre.

"La alta utilización del husillo requiere que el operario pueda meter y sacar piezas de 7.711 kg (17.000 lb) rápida, precisa y, sobre todo, seguramente", dijo. "En la mayoría de casos, esto se logra mejor con un cambiador de palets".

Profundizando

Otto también señaló que tener un amplio rango de velocidades de husillo presta flexibilidad similar. Dijo que muchos centros de mecanizado en esta arena presumen husillos de cono 50 con engranajes de solo dos rangos, alta y baja velocidad, max 3.600 rpm. Esto limita la capacidad de sus dueños para usar brocas y fresas pequeñas o mecanizar aleaciones de aluminio.

"OKK es uno de los pocos fabricantes que ofrece tres rangos de engranajes y hasta 6.000 rpm, permitiendo a sus clientes cortar muy agresivamente con fresas de cara grandes, por ejemplo, y también usar herramientas de corte pequeñas cuando se necesita", dijo Otto. "Esto los hace mucho más versátiles para talleres que deben producir variedad de piezas".

Otras características a buscar incluyen alto empuje en eje Z para taladrado pesado, plomería integrada para sujeción hidráulica automatizada, y en mandrinadores, capacidad de bloquear el quill (eje W) en posición, aumentando enormemente rigidez al desbastar bolsillos profundos. Por estas y otras razones, Otto coincide con Miller de Absolute en que mantenerse al día con tecnología actual de máquinas herramienta es el camino claro para talleres que deseen seguir competitivos.

Pero quizás la recomendación más importante para fabricantes energéticos y otros con demandas fluctuantes es mantener sus máquinas encendidas y totalmente operativas. Esto es especialmente cierto para el sector petróleo y gas, que puede ser muy cíclico, y para empresas con activos de maquinaria pagados hace tiempo que tienden a estar inactivos entre trabajos.

Dijo Otto: "En estas situaciones, nuestro departamento de servicio a menudo recibe llamadas de clientes intentando arrancar una máquina que no se ha usado en meses o a veces años, solo para encontrar que un eje está bloqueado o un componente electrónico ha fallado. Por eso decimos a los talleres que ciclen sus máquinas periódicamente, y mejor aún, pónganlas en un programa de mantenimiento preventivo con un distribuidor autorizado. Hacerlo ayuda a evitar sorpresas desagradables, sin importar la marca, tamaño o tipo de trabajo".

Sujeción consistente

Braden Damman secundó la necesidad de sujeción hidráulica, aunque señaló rápido que la plomería integrada mencionada no es prerrequisito. Ingeniero de aplicaciones en proveedor de componentes de sujeción Vektek LLC, Emporia, Kan., Damman anotó que varias opciones de configuración adicionales están disponibles, incluyendo donde el propio fixture está plumbeado para hidráulica y alimentado por un "acumulador" externo, dispositivo que mantiene presión en el sistema durante mecanizado.

Independientemente del enfoque, la sujeción hidráulica es la clara ganadora en consistencia y fiabilidad, si no en precio. "En la mayoría de aplicaciones, la hidráulica es la solución más cara, aunque el coste inicial se compensa rápido con mejoras de productividad", dijo Damman. "Elimina la variación vista con métodos de sujeción manual y es obligatoria para procesos automatizados".

Irónicamente, gran parte del trabajo de sujeción de piezas energéticas grandes que Damman asiste es para operaciones secundarias. "Vemos bastantes componentes de turbinas de gas que tienen detalle fino con tolerancias muy ajustadas", dijo. "En estas aplicaciones, el cliente a menudo quiere montar la pieza en una rectificadora CNC para acabado y necesita que sea automatizada. La sujeción hidráulica es casi siempre el método preferido por su alta repetibilidad".

Sujeción energética

Larry Robbins, presidente de especialista en sujeción SMW Autoblok Corp., Wheeling, Illinois, es gran fan de la sujeción repetible pero anotó que frecuentemente es necesario reposicionar piezas grandes por su variabilidad. "Ya sea forja o fundición, cada vez que superas un metro o así de diámetro, casi siempre necesitas forma de ajustar su ubicación dentro del plato", dijo. "Hemos ofrecido ajuste de mordazas independiente con nuestros platos manuales e hidráulicos por probablemente 25 años pero hemos extendido esa capacidad en años recientes a nuestra línea de productos de sujeción activados eléctricamente".

Robbins explicó que los platos MM e-motion de la empresa tienen un sistema patentado de posicionamiento lineal (LPS) que permite al operario —automáticamente o no— medir la ubicación de la pieza en la máquina vía sonda táctil, enviar la información posicional al controlador y centrar la pieza accordingly. Cada mordaza es impulsada y controlada por su propio "e-motor" que a su vez es accionado por un acoplador inductivo, permitiendo uso en aplicaciones fijas o rotativas. Piezas de todas formas y tamaños hasta 1.250 mm se acomodan, así como modificación de fuerza de sujeción incluso mientras la pieza se mecaniza.

Como varios otros aquí han dicho, Robbins y SMW Autoblok han experimentado desaceleraciones en sectores energía y aeroespacial los últimos dos años, aunque ambos disfrutan un repunte reciente. Curiosamente, ha comenzado a ver demanda de la industria petrolera para platos capaces de sujetar tuberías cada vez mayores, petición desafiante desde perspectivas de sujeción y máquina herramienta.

"En el pasado, rediseñamos mordazas maestras para aumentar capacidad en platos existentes, pero ahora nos enfrentamos a diseños de producto completamente nuevos dada la solicitud de agujeros pasantes de 24" (610 mm)", dijo. "Tales diámetros grandes también ponen carga pesada en cojinetes del husillo del torno. Esto podemos aliviarlo algo con apoyos fijos, pero aquí de nuevo nos acercamos a límites de tecnología de sujeción existente. Los proveedores de energía están al borde de crear un mercado totalmente nuevo".

Acuerdo en automatización

El proveedor de sistemas de automatización Fastems LLC USA, West Chester, Ohio, ve demandas similares de nueva tecnología. El Gerente Regional de Ventas Loy McEldowney dijo que el sector energético ha sido tradicionalmente lento en adoptar manipulación automatizada de piezas, aunque esa mentalidad ha comenzado a cambiar gracias a la escasez continua de mano de obra cualificada. "Como muchas industrias, están perdiendo experiencia y no tienen más remedio que automatizar donde puedan".

Esto requiere varias cosas. Uno de los centros de mecanizado con cambiador de palets descrito antes es buen punto de partida, seguido de cerca por alguna forma de sujeción automatizada. Además de la fijación hidráulica y electrónica ya discutida, sistemas de localización zero-point neumáticos o mecánicos también están disponibles. McEldowney dijo que los pomos de retención para tales sistemas a menudo se montan directamente en piezas grandes, con el receptor acoplado al palet.

Quizás lo más importante es el desarrollo de procesos estables y predecibles. Esta tarea puede ser desafiante en cualquier pieza mecanizada, pero especialmente para trabajo de bajo volumen y alta mezcla común en manufactura energética. Aun así, un número creciente de proveedores de componentes petroleros y gas lo están logrando.

"Justificar la inversión en automatización y posterior desarrollo de proceso no requiere altos volúmenes tanto como pedidos bastante repetibles", dijo McEldowney. "Para empresas con acuerdos a largo plazo con clientes y que ven lo que viene en los próximos 18-24 meses, es mucho menos aterrador gastar en fixtures dedicados, palets para ponerlos, y sistema de almacenamiento automatizado o semi-automatizado. Cuando llega un pedido, solo cargan el palet, llaman al programa y corren la pieza. Y para quienes tienen nuestro sistema MMS (software de gestión de manufactura) y controlador de celda integrado, pueden hacerlo lights-out. De cualquier forma, hace manufactura de bajo volumen muy eficiente".