Revolucionando la manufactura: sistemas avanzados de palets y robótica

El rango y los requisitos de las celdas de mecanizado flexibles están aumentando

A medida que los procesos de manufactura automatizados continúan evolucionando de "deseable" a "imprescindible" a raíz de problemas como la escasez de trabajadores cualificados, las configuraciones de sistemas de manufactura flexibles (FMS) continúan surgiendo de formas nuevas y emocionantes.

Claramente, la pandemia de COVID-19 impulsó a los fabricantes a acelerar la adición de robots a los sistemas de palets. Pero ese no es el único giro intrigante que el FMS ha tomado últimamente.

"Los sistemas de manufactura flexible pueden significar cosas muy diferentes hoy que en el pasado", explicó Zach Spencer, gerente de automatización de Methods Machine Tools con sede en Sudbury, Massachusetts. "En el pasado, todos estaban acostumbrados a sistemas de intercambio de palets para lograr la máxima flexibilidad con sus máquinas. Estos pools de palets permitían a los clientes montar diversos dispositivos de sujeción en varios palets y hacer funcionar sus máquinas desatendidas.

"Hoy, la automatización flexible puede tomar muchas formas. Esto puede ir desde máquinas paletizadas, robots moviendo palets —como nuestros sistemas de automatización Plus-K y Plus-K60— hasta sistemas más complejos pero aún fáciles de usar como sistemas de visión flexible para configurar piezas."

Para quienes son nuevos en el juego de la automatización, Spencer dijo que comiencen de forma simple.

"Normalmente recomendamos empezar con un sistema más pequeño y menos complicado para mojarse los pies con la automatización —sentirse cómodo con ella antes de dar un gran salto. Para nosotros, este tipo de sistema más pequeño o inteligente puede significar atender una máquina versus muchas, y hacer una corrida de lote en lugar de hacer muchos tipos diferentes de piezas a la vez."

Soluciones, grandes y pequeñas

Siendo que el negocio de automatización de palets es "el corazón" de Fastems, la empresa finlandesa está a la vanguardia de las tendencias emergentes de automatización. La pandemia ha acelerado la adición de robots para cargar y descargar piezas en configuraciones FMS, dijo Mika Laitinen, director de ventas de soluciones en Fastems.

Otras operaciones auxiliares se están añadiendo cada vez más dentro de los mismos sistemas, añadió Christopher Rezny, gerente regional de EE. UU. Central para Fastems. Por ejemplo, ya sea que una pieza se torne o se mecanice, debe lavarse. Además, las piezas deben verificarse —ya sea individualmente o después de una corrida de quizás 100. Operaciones de desbarbado y carga automática de dispositivos también pueden realizarse, y la conectividad con sistemas de vehículos guiados automatizados (AGV) mantiene los materiales fluyendo hacia la operación.

Originalmente diseñado para centros de mecanizado horizontales, el sistema FPC (contenedor de palet flexible) de Fastems, puede expandirse para dar servicio hasta a cuatro máquinas herramienta.

"Por primera vez, al menos en Finlandia, este bloque de motor se cargará y descargará automáticamente en este tipo de máquina herramienta usando AGVs", ya que el sistema se construyó sin una grúa apiladora. El AGV mueve el palet de mecanizado de ubicación en ubicación para lavado, inspección, desbarbado y acabado. "También tenemos tareas de subensamblaje para realizar ciertas operaciones de mecanizado final. Y tenemos almacenamiento. Así que tenemos todos los mismos elementos que tendríamos en el FMS tradicional basado en grúa apiladora, pero ahora todo está en un solo nivel" debido al peso del componente.

El uso de AGVs en lugar de una grúa es ideal en una situación como esta, continuó Laitinen, dado que el tiempo de mecanizado es bastante largo —varias horas— por lo que no hay problema en usar el vehículo de carga y descarga más lento para el cambio de palet.

Tiempo de ejecución y robots

Ya sea que los sistemas de palets sean lineales o rotativos, con configuración de una o múltiples máquinas, los tipos de FMS cubren toda la gama.

En DMG Mori, su LPP (pool de palets lineal) y su RPS (sistema de palets rotativo) más básico, encuentran hogares en múltiples configuraciones.

Para un LPP, "el punto óptimo típico para un taller de trabajos es de 24 a 36 palets y dos o tres máquinas y dos estaciones de carga", dijo John McDonald, gerente general de desarrollo en la instalación de manufactura de DMG MORI en Davis, California. "Tienes flujo de material dentro y fuera de las estaciones de carga, trabajo en cola en el sistema de pool de palets, y las máquinas están trabajando día y noche."

Mientras tanto, el RPS es "un sistema de una sola máquina, un solo palet", continuó McDonald. "Típicamente hay cinco palets en él, y llegamos hasta 21 palets. Estos son geniales para, de nuevo, poner trabajo en cola. No tienes tanta mezcla de piezas, o lo combinas con algún tipo de sujeción de cambio rápido de modo que puedas cambiar tu configuración de trabajo."

En última instancia, el FMS adecuado para un taller dado es el que optimiza el tiempo de ejecución desatendido. Se trata de obtener más horas de husillo en el día y más tiempo de "alejarse" para permitir que los empleados realicen otras tareas, dijo.

El otro trabajo del FMS, por supuesto, es conseguir más trabajo en la puerta. "Tengo clientes llamando a mi puerta, diciendo: 'Aquí hay un trabajo para licitar, ahí hay un trabajo para licitar'. Lo que veo que pesa en la mente de la mayoría es: '¿Realmente puedo implementar esto?' Nuestros recorridos tecnológicos privados y eventos basados en educación muestran a estos clientes cómo estas herramientas realmente trabajan juntas para lograr ese tiempo de ejecución desatendido."

El software LPS 4 de DMG Mori, lanzado en 2021, es la cuarta generación del software de gestión de sistemas de automatización de la empresa. Con él, los fabricantes pueden eliminar algunos de los pasos de gestión de materiales conectándose directamente a un ERP. Por ejemplo, si un cliente pide 500 bloques de aluminio 6061 para producir bombas de agua, explicó McDonald, "una vez que hayas creado ese trabajo de bomba de agua, tu sistema ERP puede impulsar la demanda al sistema de pool de palets de lo que va a producir a continuación. Hemos eliminado ese enlace manual de alguien ingresando datos del ERP al software LPS 4; hemos cerrado ese bucle conectando esos dos. No todos los clientes están listos para empezar a usar ese nivel hoy —pero algunos de los talleres más productivos sí lo hacen."

Ilustrando lo que su FMS puede hacer, DMG Mori ejecuta un LPP de un metro con tres máquinas en su propio taller de máquinas, señaló McDonald. "Tiene una estación de lavado de piezas, carga robotizada, dispositivos hidráulicos y palets de material. Estamos mecanizando las fundiciones con las que construimos nuestras máquinas aquí en nuestra fábrica de Davis. Un operador carga la fundición en el palet de material. Casi todas estas fundiciones deben ser grúadas; son demasiado pesadas para que alguien las levante. Se grúan sobre un palet que parece un palet de montacargas. La pieza se coloca allí, luego va a las estanterías de palets. El palet de material entra en la carga del robot, así como el palet de dispositivo. Así que el robot recoge la pieza y la carga en el dispositivo, luego la pieza se asegura con sujeción hidráulica. Y luego la pieza entra en el centro de mecanizado.

"Una vez que esa operación termina, va al lavado de piezas; la pieza se limpia para eliminar virutas o suciedad de roscas roscadas. Tenemos clientes que han llevado eso aún más lejos, hasta donde hemos integrado máquinas de medición y celdas de marcado láser. Además, algunos clientes usan el LPP en combinación con nuestro sistema centralizado de gestión de herramientas —así, no solo las piezas de trabajo sino también las herramientas en el almacén de la máquina se cambian automáticamente. Típicamente, veremos OEMs implementando este tipo de celdas."

Methods también está sirviendo la evolución desde simples sistemas de intercambio de palets a soluciones atendidas por robots con controles de gestión de palets, dijo Spencer.

"Un sistema muy exitoso que hemos desarrollado y desplegado es nuestro sistema RoboDrill Plus-K", explicó Spencer. "Este sistema utiliza un FANUC RoboDrill con un robot FANUC para atenderlo. En el lado del robot, existe la capacidad de almacenar hasta 60 piezas de trabajo en el sistema a la vez. Este sistema tiene una función de gestión de palets integrada dentro del control de la máquina que permite al operador establecer números de programa específicos para las diversas 60 estaciones donde se pueden almacenar las piezas. Este sistema flexible también permite herramientas extendidas en la máquina, lo que puede ser enormemente útil al trabajar en varios tipos de piezas en las 60 estaciones de trabajo diferentes."

Y la producción de alta mezcla y bajo volumen no está fuera de la mesa, añadió Spencer. En esos casos, "normalmente recomendamos una solución más rígida. Con cualquier venta de automatización o máquina herramienta, intentamos mostrar al cliente los cálculos de ROI para su taller para ayudar a aprobar la venta del equipo. Hacemos lo que podemos para superar un ROI de 18 a 20 meses para el cliente." El sistema Plus-K de la empresa está hecho a medida para trabajo de alta mezcla/bajo volumen, añadió.

"Hemos tenido gran éxito con la industria médica con sistemas flexibles. Creo que una razón principal para esto es la necesidad en la industria médica de un tipo de aplicación de alta mezcla. Por esto quiero decir que típicamente pueden correr lotes pequeños —hasta quizás 10 piezas a la vez— antes de necesitar hacer un tipo diferente de pieza. Esto se presta perfectamente a una solución más flexible que es extremadamente fácil de cambiar de un número de pieza al siguiente."

Para requisitos de rastreo y seguimiento, continuó, "ofrecemos controladores de celda que pueden ayudar a los clientes en la trazabilidad de piezas a través de sistemas. Los controladores de celda pueden monitorizar el tiempo de actividad del equipo, estados de alarma e historial, así como usos de máquinas. Estos sistemas típicamente tienen capacidad de escaneo de código QR, código de barras o RFID que permite al operador escanear piezas dentro y fuera de las celdas durante la producción. Esta información se almacena típicamente en una base de datos local a la celda, donde puede copiarse al servidor del cliente."

El ángulo láser

Cuando el corte y soldadura láser entran en la ecuación, un FMS adquiere una definición ligeramente diferente, dijo Dominic Rickard, gerente de ventas para Norteamérica de Prima Power Laserdyne, con sede en Brooklyn Park, Minnesota.

"Un sistema de manufactura flexible para procesamiento láser 3D significa proporcionar un sistema que pueda soportar una amplia variedad de procesos láser, es decir, soldadura láser, taladro láser y corte láser 3D", explicó Rickard. "El sistema necesita soportar las necesidades de manufactura y ser adaptable para las necesidades futuras del negocio."

Esa adaptabilidad incluiría soporte para:

--Bajo volumen hoy y mayor volumen en el futuro.

--Una gama de materiales, desde acero dulce, acero inoxidable y aluminio hasta materiales especiales. Cambiar de un gas de asistencia a otro mediante control electrónico y programático es importante.

--Cambios rápidos de un proceso de manufactura a otro —de soldadura a corte a taladro y viceversa. Por ejemplo, dijo, "los sistemas LASERDYNE pueden cambiar de corte láser 3D a soldadura 3D en uno o dos minutos."

Además, aconsejó, los FMS basados en láser deben proporcionar información de parámetros y proceso en tiempo real a sistemas de monitorización de manufactura/operaciones —y esa información también debe registrarse y almacenarse para referencia y análisis futuros.

"Desde nuestra perspectiva, el tamaño del sistema o máquina es independiente de la flexibilidad", dijo Rickard. "El tamaño del sistema está determinado por las piezas que el cliente va a procesar con láser. Los sistemas LASERDYNE están diseñados para soportar la flexibilidad de manufactura independientemente de si se compra un sistema pequeño o grande."

La última incorporación de Prima Power Laserdyne es su sistema LASERDYNE 811, que apoya la filosofía de manufactura flexible de varias maneras, explicó Rickard.

"Primero, el mismo sistema soporta a un fabricante que tiene alta mezcla de piezas y bajo volumen o un fabricante que pide el sistema para construir una sola pieza durante varios años. Segundo, el cliente puede integrar automatización en el momento en que se instala el sistema o en cualquier momento en el futuro. El sistema es modular y ajustable. Tercero, el sistema puede ser un equipo independiente o una parte integral de la celda de manufactura."

El sistema ha sido un gran beneficio para un cliente, un subcontratista de los mercados automotriz, procesamiento de alimentos y artículos del hogar, dijo. Ese cliente quería expandir su capacidad de procesamiento y acortar el tiempo pieza a pieza para una variedad de piezas metálicas 3D y varias piezas cilíndricas. Además, el cliente quería reducir el tiempo de cambio de dispositivos de sujeción de piezas.

"Proporcionamos al cliente el LASERDYNE 811 con una mesa indexadora de dos posiciones [plato giratorio] para cortar piezas 3D con láser. Además, proporcionamos una interfaz de dispositivo común para que el operador pueda cambiar fácilmente los dispositivos de sujeción de piezas en el plato giratorio. Para soportar la pieza cilíndrica, proporcionamos una mesa rotativa usando la misma interfaz de dispositivo de sujeción para que el cliente pueda añadir y quitar fácilmente la mesa rotativa. Añadir la mesa rotativa es lo mismo que añadir y quitar el dispositivo de sujeción de piezas.

"El resultado es que el cliente puede procesar con láser en alta mezcla de SKU y reducir los tiempos de ciclo pieza a pieza, lo que redujo los costos generales, aumentó el rendimiento de la fábrica, redujo los plazos de entrega de piezas a usuarios finales y permitió al cliente mantenerse competitivo sin ninguna reducción en la calidad."

Rickard explicó cómo la evolución del FMS fue crítica para el éxito de su empresa.

"Por necesidad, Prima Power Laserdyne fue un pionero temprano en procesamiento láser 3D. Para tener éxito necesitábamos ofrecer sistemas de manufactura flexible. En los primeros días del negocio, era muy difícil vender una máquina de un solo uso. Los clientes insistían en que los sistemas necesitaban ser flexibles. FMS es una parte central de nuestro ADN, por así decirlo.

"A lo largo de los años, las fuentes láser de los sistemas comenzaron con láseres CO2, migrando a sistemas Nd:YAG a ahora sistemas de láser de fibra. Con cada cambio en la fuente láser, un mayor número de materiales podían ser procesados con láser. Con el tiempo, diseñamos y mejoramos nuestros sistemas para soportar soldadura, taladro y corte cambiando la boquilla al final de la cadena óptica láser."

Otro cambio fue la introducción de SPC y MTConnect en sus sistemas. "Con SPC, el fabricante puede registrar todos los parámetros de proceso y máquina para análisis o mantenimiento de registros. Con MTConnect, el fabricante puede transmitir los parámetros en tiempo real, proporcionando monitorización de proceso en tiempo real. Por último, el sistema tiene control en tiempo real sobre todos los aspectos de la máquina, incluyendo control pulso a pulso del láser. El control en tiempo real permite que el controlador soporte siete o más ejes y simplifica la integración de automatización con sistemas LASERDYNE."

En última instancia, concluyó, "el sector manufacturero general y los fabricantes por contrato son el borde de ataque al definir y necesitar FMS. Este grupo de clientes necesita la capacidad de adaptar sus procesos de manufactura.

Típicamente, este grupo soporta una variedad de productos y clientes. El sustento y el éxito dependen de qué tan rápida y eficientemente pueden adaptarse al trabajo disponible con el mercado. Cada sector de mercado tiene un ciclo al alza y a la baja. Si un sector de mercado está en baja, la velocidad a la que el fabricante puede adaptarse al sector de mercado en crecimiento puede significar la diferencia entre hacer crecer el negocio y cerrar."