Desbloqueando la eficiencia: Las ventajas estratégicas de los centros de mecanizado verticales

Los proveedores de centros de mecanizado vertical (VMC) miran hacia 2022 con optimismo. Esperan un mayor uso de la automatización y una mayor conciencia de los beneficios del mecanizado con equipos de más de tres ejes.

Llegar a más lados de una pieza en una o dos configuraciones es solo parte de la propuesta de valor de los VMC, según los fabricantes de equipos. Automatizar con un robot frente a la máquina, o agregar un eje rotativo, ayuda a garantizar la productividad, mientras que una comprensión de la cinemática de la máquina —cómo la máquina se mueve con el tiempo— es clave para la repetibilidad.

Una amplia gama de opciones, desde máquinas de tres ejes más simples hasta cinco ejes —tanto 3 más 2 como, en menor medida, versiones continuas— da a los talleres una gran cantidad de oportunidades para aplicar VMC en series bajas y altas. Y las oportunidades para producir piezas relocalizadas ofrecen otro incentivo más.

El negocio de VMC va bien

Primero que todo, a pesar de la incertidumbre y la política confusa en torno a la pandemia de COVID-19 mientras se arrastra hacia un tercer año de tumulto, la demanda de VMC es fuerte. Sin embargo, el suministro es, no sorprendentemente, una preocupación.

"La industria está bastante caliente", afirmó Jeff Wallace, gerente general, ingeniería nacional para DMG Mori USA en Hoffman Estates, Illinois. "Estamos vendiendo todo lo que no está atornillado. Estamos vendiendo cosas que están atornilladas. El buen problema es que estamos vendiendo todo lo que tenemos; el mal problema es que los plazos de entrega de cuatro a seis semanas se han extendido a cuatro a seis meses".

Los VMC son populares en múltiples aplicaciones, dijo Wallace, incluso con "algunos centros de producción de bajo volumen donde estamos haciendo algunas piezas prismáticas simples. Incluso las máquinas verticales de tres ejes están en alta demanda".

Dadas las escaseces de fuerza laboral que solo se han exacerbado por la pandemia, la automatización de VMC se ha convertido en una preocupación principal.

"Frecuentemente vemos con los verticales que podríamos adaptar un eje rotativo para poder llegar a más de un lado de la pieza. Los clientes buscan automatizar todo lo que puedan —incluso automatizar algunos de los centros de mecanizado vertical de tres ejes. Agregar un eje rotativo o incluso un eje rotativo dual para poder voltear la pieza y llegar al otro lado para que no tengamos que sacarla de un torno y llevarla a otro torno —ya sea en esa máquina u otra máquina— es muy popular ahora. Los clientes están buscando cómo pueden optimizar esos VMC y obtener más productividad de ellos.

"Lo bueno de los VMC es que son relativamente económicos y fáciles de configurar. Los dejas en el suelo, y la mayoría tienen un sistema de nivelación de tres puntos. Para que un cliente entre en un VMC, especialmente para producción de series cortas, es muy rentable. La demanda es alta en general para casi todos nuestros productos —y es bueno para la industria. No somos los únicos; todos los demás fabricantes están viendo condiciones similares. El pastel es bastante grande, y me alegro de que la industria esté saludable".

Usando su calculadora de ROI, DMG Mori ayuda a ilustrar cómo sus VMC pueden ayudar a los talleres a mejorar su resultado final —particularmente "con toda la relocalización que está ocurriendo. Estamos viendo muchos productos volver a EE. UU. —piezas prismáticas de bajo costo que hemos subcontratado al otro lado del mar en los últimos 20 años. Los talleres pequeños y medianos se han vuelto muy eficientes en la fabricación de estos componentes de commoditiy —cosas para las que un VMC está muy bien adaptado.

"La advertencia ahí es la mano de obra y si quieres automatizar: ¿Es poner un robot simple frente a la máquina o poner el eje rotativo? Tenemos un grupo de automatización interno en DMG Mori, y los cobots están empezando a despegar en estas plataformas VMC. Ni siquiera tenemos que agregar algo tan simple como un cilindro de aire a la puerta; dejaremos que el robot abra la puerta". Al dar esos pasos, dijo Wallace, los clientes están viendo ganancias de producción del cinco al seis por ciento.

Los VMC multiejes están tomando mayor fuerza en EE. UU., concluyó —explotando, de hecho, con DMG Mori viendo un aumento de diez veces en ventas en los últimos un par de años. Europa inicialmente tuvo la ventaja en adopción, dijo, pero "en la típica moda estadounidense, una vez que nos despertamos, es como, 'OK, quítense del camino'. América se ha despertado, nuevamente impulsado principalmente por los problemas de fuerza laboral. Como la gente no quiere hacer el trabajo o no podemos encontrar talento, ¿cómo minimizas esa interacción con la máquina para hacer una pieza? Ahí es donde brilla el multieje. Si puedo preparar mi barra correctamente, puede que nunca tenga que tocar esa pieza de nuevo hasta que esté completa".

Facilitando la automatización está la interfaz hombre-máquina Celos de la empresa, que permite a los operadores de máquinas manipular rápidamente una variedad de robots para realizar diversas tareas. "Hemos desarrollado aplicaciones que, si pones un robot frente a una máquina, el operador no tiene que ser un programador de robots. Hay una interfaz gráfica de arrastrar y soltar para ayudar a los operadores a programar. Nuestro objetivo es poner esa tecnología en manos de la gente para que no estén tan recelosos de la automatización sino cómodos con ella".

La ventaja del VMC

Generalmente más fáciles de instalar, los VMC "suelen estar en funcionamiento en un período de tiempo más corto y ofrecen menos interrupción en el negocio diario", explicó Bill Malanche, COO de Mitsui Seiki. "También son típicamente más pequeños que muchos horizontales, reduciendo el uso general de valioso espacio en la fábrica. El diseño de nuestras máquinas da a los talleres y grandes fábricas más capacidad en una plataforma más pequeña. En nuestra línea Vertex de VMC, el eje Y ofrece una carrera mayor que el eje X, haciendo que el ancho total de la máquina sea más pequeño. La mayoría de los VMC son típicamente más anchos que profundos".

A lo largo de su carrera, recordó Malanche, instaló docenas de máquinas verticales en empresas en EE. UU. y en el extranjero. "Hasta hoy todavía me encuentro ocasionalmente con un cliente en una feria comercial que me recuerda instalando su máquina, y dice que todavía la tienen, y que aún mantiene un par de décimas".

Mitsui Seiki enfatiza máquinas estilo barreno de plantilla diseñadas para tener ultra-alta precisión en un envolvente de trabajo ajustado, señaló, haciéndolas ideales para producción de alto valor, bajo volumen.

"Tenemos un cliente que está produciendo componentes aeroespaciales intrincados que requieren tolerancias extremadamente ajustadas", explicó Malanche. "Las máquinas verticales que están usando están produciendo una familia de piezas diseñadas no solo para producción sino para soporte de campo continuo. Este entorno significa que las máquinas podrían usarse para propósitos de piezas de producción un día pero inesperadamente verse obligadas a cambiarse para compensar requisitos de soporte de campo.

"Este cliente tiene maquinistas calificados produciendo las piezas, pero el nivel del trabajo no es adecuado para solo presionar 'inicio de ciclo'; las piezas tienen numerosos barrenos integrados y controles de proceso que deben hacerse mientras las piezas se producen". Ese cliente comenzó con cinco VMC de Mitsui Seiki y ahora tiene 16 en su operación.

En casos donde las piezas deben salir de las máquinas para inspección MMC "en proceso" para ir de operación a operación, Malanche dijo, "ayudamos al cliente a semi-automatizar los procesos, donde podían organizar las máquinas con placas base de fijación de 'punto cero' para permitir que las mismas piezas se transfirieran de máquina a máquina y al MMC con una configuración mínima y verificación de respuesta".

A veces, mejoras opcionales bastante pequeñas se pueden hacer a los VMC de línea base para ayudar con la automatización. Elementos como sondas de herramienta y sondas de husillo se pueden usar para acelerar los cambios, e incorporar placas base de punto cero altamente repetibles puede agregar versatilidad.

"Pero creo que la mayor ventaja viene en tener máquinas equipadas para mecanizado de cinco ejes", afirmó Malanche. "Aunque agregar un quinto eje a la mayoría de los VMC es generalmente costoso al principio, la inversión vale la pena y a veces se recupera rápidamente con aplicaciones críticas. El advenimiento de equipar mesas rotativas de cinco ejes de alta precisión integradas en la estructura de la máquina permite a los fabricantes la ventaja de aún más versatilidad en el flujo de proceso".

Mitsui Seiki ha diseñado sus plataformas VMC para manejar muchos desafíos de fabricación únicos, continuó. La serie Vertex de cinco ejes de referencia de la empresa se ofrece en tres tamaños para manejar piezas de 500 mm a 1200 mm de diámetro. "Los hemos construido con adaptaciones destinadas a abordar muchos desafíos de fabricación y nuevas metodologías. Nuestras máquinas no están construidas en una plataforma común con solo husillos de bolas extendidos para carreras más grandes; estos están construidos en fundiciones de hierro individuales diseñadas para años de servicio y vida. Nuestra versión más pequeña, la Vertex 550-5X con mesa rotativa de 400 mm, pesa 20.000 libras, y la Vertex 100X es el triple de esa cantidad. Estos no son VMC 'desechables'."

Las máquinas Vertex están construidas con opciones como motores de eje rotativo de accionamiento directo necesarios para un control de contorno mejorado en el mercado de aerofolios, agregó. "Tenemos máquinas de plataforma combinada diseñadas para capacidad multiproceso como deposición de metal aditivo/sustractivo, fresado y rectificado y el proceso de electroerosión de alta velocidad llamado Blue Arc, que se está licenciando a través de General Electric". Con estas opciones, los usuarios están cortando materiales incluyendo cerámica, grafito, aluminio, titanio, Inconel y más.

Este tipo de flexibilidad está ayudando a los VMC a reafirmar su lugar en el mercado, donde a lo largo de los años los requisitos de mayor producción, junto con la capacidad laboral reducida, abrieron camino a los HMC para tomar el control. "En lo que pareció un período de tiempo relativamente corto, la necesidad de VMC pasó a un segundo plano frente a los HMC con cambiadores de herramientas más grandes, cambiadores de paletas y sistemas de fabricación flexibles completos", dijo Malanche. "Hace treinta años, la mayoría de los talleres de producción media a semi-alta dependían en gran medida de los VMC por numerosas razones, incluyendo tiempo de configuración, facilidad de acceso, facilidad de mantenimiento, disponibilidad de trabajadores calificados y mezcla de productos. Los VMC han recuperado nueva vida en el mercado de fabricación de piezas de alta precisión".

Máquinas en movimiento

El concepto crítico de cinemática, o cómo se mueve una máquina, es algo que YCM Technology USA en Carson, California, enfatiza con su calibración de cinemática integrada para el mercado norteamericano. Esos paquetes —que incluyen sondas táctiles y medición de longitud de herramienta y bolas de herramienta— serán estándar en las máquinas de 3 más 2 o cinco ejes continuos de YCM, dijo Brian Huff, gerente de desarrollo de negocios para el Medio Oeste.

A medida que una máquina realiza sus funciones, la precisión puede cambiar, señaló Huff, y "es común que un operador piense que la máquina no es precisa o que la toma no fue precisa". Abordar eso requiere definir centros de rotación para el cuarto y quinto eje y poder calibrarlos. Históricamente, los fabricantes podrían establecer el centro de rotación como parte de la instalación de la máquina, dijo. "Si el cliente lucha con la precisión, requeriría una llamada de servicio, y volverían a redefinir esos centros de rotación —lo cual puede ser costoso. Pasan cosas, las máquinas se mueven, el peso de la pieza cambia —y otras dinámicas están en juego. Algunos fabricantes han adoptado más fácilmente la importancia de la calibración de cinemática. Por lo tanto, nuestro interés es hacerlo fácil para nuestros usuarios y operadores; no va a requerir una llamada de servicio, y tienes la máquina en el más alto nivel de precisión".

¿Con qué frecuencia deben calibrarse los VMC? Podría ser una vez a la semana, una vez al mes, o incluso diariamente dependiendo de la aplicación, aconsejó Huff.

"Decimos a nuestros clientes que si tienes trabajo que es más crítico y notas más desviación, ejecuta el programa de cinemática. Si estás corriendo trabajo de tolerancia cerrada, ejecuta la cinemática; ejecútala antes del trabajo, ejecútala diariamente para estar seguro. Si estás viendo una desviación de 0,0005" en el transcurso de una semana, tal vez ejecútala semanalmente". Eso se traduce a 0,0127 mm.

Idealmente, a Huff le gustaría "hacer de la cinemática una conversación normal" e intentar ayudar a cerrar la brecha entre las empresas que definen centros de rotación en la instalación y las que piensan que la calibración de cinemática debería ser fácilmente accesible y ejecutada rápidamente. "Se está convirtiendo en una forma de vida para todos los fabricantes".

Otra forma en que YCM aborda la precisión es a través de su asociación con Kessler, cuyos husillos y cabezales aparecen en las máquinas verticales de YCM para abordar la fuerza de sujeción para los ejes A y C o B y C y mantener la rigidez en la punta de la herramienta de corte. "Nuestro husillo estándar en nuestra máquina de molde y matriz de cinco ejes de doble columna alcanza un máximo de 54 hp", dijo Huff, o 40,2 kW. "Es un HSK 100, con 16.000 RPM, que produce potencia total a 2.500 RPM. Alta rigidez, par, RPM y caballos de fuerza hacen una configuración de husillo y cabezal realmente versátil. Nuestra versión aeroespacial sube a 18.000 RPM, con un husillo HSK 63 produciendo 94 hp [70 kW], dirigido al mecanizado de aluminio". Además, la asociación con Kessler da a YCM un recurso del Medio Oeste para reparación de husillos.

YCM Technology está poniendo un énfasis particular en sus máquinas de cinco ejes. Mientras que las configuraciones 3 más 2 son más populares, la demanda de cinco ejes completos está creciendo, señaló Huff. Él también ve solicitudes de automatización aumentar.

"Estamos viendo consistentemente solicitudes de automatización como parte del paquete de máquina. No es solo paletización; estamos viendo más aceptación e interés en automatización pick-and-place. Es un ajuste natural con cinco ejes porque en muchos casos puedes, dentro de una o dos configuraciones, mecanizar la pieza completa. La sujeción de piezas en este caso es crítica y que no tengas ninguna interferencia de fijaciones o tornillos en el camino del cortador. Si puedes sujetar una pieza desde el lado inferior y permitir que cinco lados sean accesibles, eso es ideal. Para sujeción desde el fondo, hay fabricantes que han diseñado sistemas que hacen un gran trabajo; actualmente estamos trabajando con empresas que ofrecen este tipo de soluciones. También ofrecemos paquetes de automatización paletizada con las máquinas YCM y estamos desarrollandoさらに paquetes de automatización colaborativa y pick-and-place".

Apuntando a alta producción

En los últimos dos o tres años, la mayoría de los lanzamientos de VMC de Chiron han sido plataformas robustas de producción de alto volumen diseñadas para satisfacer las demandas de mecanizado de grandes componentes automotrices y aeroespaciales, dijo el Gerente de Desarrollo de Negocios Simon Knecht de Chiron America en Charlotte, Carolina del Norte.

"Con estos centros de mecanizado establecidos con éxito y ampliamente disponibles para nuestros clientes norteamericanos, estamos fortaleciendo aún más nuestra cartera de productos en el extremo opuesto del espectro de fabricación: componentes micro-mecanizados de alta precisión", dijo Knecht.

Este año, Chiron está lanzando su centro de mecanizado Micro5, desarrollado en Suiza y diseñado para piezas pequeñas —en el rango de 50×50×50 mm—, dijo. "La velocidad y la dinámica de este concepto de mecanizado están diseñadas para apoyar a los clientes con mayor productividad. Junto con los puntos de referencia de alta velocidad y masa móvil mínima, la máquina es una plataforma modular y puede equiparse con automatización integrada. Además, el Micro5 fue diseñado para escalabilidad flexible, lo que da a los fabricantes la capacidad de crear líneas de producción sin costuras con múltiples máquinas".

Los VMC generalmente se basan en un concepto modular, explicó; es práctica común cambiar de configuración de cuarto a quinto eje. "Muchas veces, nuestros clientes han cambiado la configuración de la máquina a una configuración de mesa diferente utilizando cuarto o quinto eje en la mesa".

Como otros proveedores, Chiron America está abordando la brecha de habilidades del operador. La automatización inteligente "es una parte de una solución que asegura el rendimiento durante las horas de producción planificadas", dijo Knecht. "Las tecnologías de automatización, especialmente robots, generalmente tienen una alta disponibilidad técnica y funcionan con alta fiabilidad. Con procesos y celdas diseñados para lotes más pequeños, nuestras soluciones de automatización son incluso capaces de cambiar fijaciones en la máquina. A diferencia de una configuración manual, que a menudo puede tomar más de una hora para cambiar las fijaciones, automatizar el VMC con un sistema de sujeción cero mejora el rendimiento y devuelve la máquina a lo que está diseñada para hacer: Mecanizar. Las configuraciones de ejes de la mesa de mecanizado están diseñadas para acomodar estos métodos de sujeción".

Tendencias como el cambio hacia la movilidad eléctrica y las cadenas de suministro estresadas por la pandemia exigen más flexibilidad del equipo —haciendo que el VMC que reduce configuraciones sea una herramienta crítica. "La capacidad de cambiar rápidamente a una pieza diferente en una máquina impulsa el enfoque para reducir el número de configuraciones y terminar tantas operaciones como sea posible dentro de la misma máquina", dijo Knecht. El cambio de pieza integrado de Chiron permitió la carga y descarga de piezas mientras sus VMC de cinco ejes están funcionando.

Aprovechar esta flexibilidad y utilizar un VMC para muchas piezas diferentes "llevará a beneficios tangibles en términos de ROI", concluyó Knecht. "Demasiadas veces he visto maquinaria y equipos dedicados que se quedan quietos tras la pérdida de un trabajo o proyecto, mientras el fabricante no puede utilizar la máquina al máximo".