Colocación robótica de fibra e impresión 3D impulsan avances de Industria 4.0

Las ventajas prometidas por la Industria 4.0 se están haciendo realidad en Ingersoll Machine Tools en Rockford, Illinois. La simulación de diseño de máquina con "gemelo digital", mayor inteligencia robótica y movimiento complejo son las herramientas esenciales aquí. Esas herramientas están haciendo accesibles la producción de moldes a gran escala, mecanizado de piezas y automatización de procesos a los sectores aeroespacial, naval y otros.

"La disrupción prometida por la Industria 4.0 ya ha comenzado", dijo Jason Melcher, vicepresidente de ventas en Ingersoll. "Lo que es aún más notable es que está sucediendo en aeroespacial, donde el diseño de máquinas para producción mejorada de moldes y piezas se trata de lo más grande de lo grande, lo más difícil de lo difícil."

"Aquí, la impedancia del proceso se evalúa no solo hora a hora, sino minuto a minuto, y en libras por hora", explicó Melcher. "Estamos viendo una mayor factibilidad, respaldada hacia el futuro por la principal plataforma tecnológica CNC y de movimiento de la industria aeroespacial."

La mejora de procesos siempre ha sido importante en Ingersoll. Durante muchos años, los ingenieros mecánicos, de software y de procesos de la compañía han trabajado en equipo con ingenieros de Siemens para desarrollar diseños de máquinas de gran formato de próxima generación.

Pero, ¿qué están haciendo exactamente Ingersoll y Siemens que es verdaderamente innovador?

Ahora, estas dos empresas tecnológicas se están uniendo con equipos de ingeniería de clientes para inventar, validar y mitigar riesgos. Están colaborando a mayor escala, donde la colocación robótica inteligente de fibra y la producción masiva de piezas de impresión/fresado ya no son una visión sino una realidad.

Colocación robótica de fibra

Un jugador de larga data en colocación automatizada de fibra (AFP) para aeroespacial, la incursión de Ingersoll en robótica de alta gama parece una progresión natural. La ambición de la compañía ha sido hacer la colocación robótica de fibra asequible para productores de piezas aeroespaciales de segundo y tercer nivel. Pero ese ascenso al mercado aeroespacial se había visto frenado por varias realidades terrenales, incluida la inexactitud histórica del posicionamiento robótico a gran escala, la falta de control robótico a nivel de operador de máquina y el alto costo de diseñar y construir sistemas AFP personalizados a mayor escala.

Posicionamiento robótico preciso: Incluso en años recientes, la precisión de posicionamiento de robótica a gran escala no ha sido mejor que aproximadamente 5 mm y con mala repetibilidad. Para abordar esta limitación, Siemens evolucionó su potente CNC Sinumerik 840D sl para incluir Run MyRobot, su software de compensación robótica altamente sofisticado.

Esto ha permitido a Ingersoll integrar robótica en sus nuevos diseños de máquinas de colocación de fibra Robotic FP, logrando precisiones de posicionamiento robótico repetibles por debajo de 1 mm. La precisión se mantiene tanto para movimiento robótico estándar como inverso.

Control robótico en la máquina: El movimiento robótico de una máquina Robotic FP se controla fácilmente en la máquina usando la interfaz Siemens Sinumerik CNC Operate. La interfaz intuitiva y gráfica del control es universal en la plataforma de controles CNC Sinumerik. Los clientes aeroespaciales pueden lograr mayores eficiencias de proceso en toda la planta a medida que los operadores se familiarizan rápidamente y se vuelven eficientes usando una interfaz que permanece igual de máquina a máquina, incluso al pasar de tres ejes a robots de cinco o seis ejes con numerosos ejes más (mesa giratoria, mandril, rail lineal, etc.). La experiencia del operador es la misma, ya sea controlando colocación de fibra tradicional, colocación robótica de fibra, impresión 3D, impresión 3D robótica o cualquier proceso de mecanizado CNC.

Simulación de diseño de máquina: La industria de máquinas herramienta ha anticipado durante mucho tiempo la capacidad de diseñar, probar y rediseñar virtualmente el gemelo digital de una máquina, molde o pieza antes de pasar a producción real. En aeroespacial, el tamaño puro de una máquina o una pieza ha hecho que la creación de prototipos físicos sea especialmente costosa.

La creación de prototipos tradicional por prueba y error produciría pérdidas masivas de tiempo y material. Para escapar de estas restricciones, los ingenieros de software en Ingersoll desarrollaron software de simulación que permite a los ingenieros de proceso diseñar y desarrollar virtualmente una máquina, un molde o una pieza. El software envuelve el kernel de simulación del Controlador Virtual NC (VNCK) de Siemens. El controlador procesa y simula virtualmente todos los datos de ciclo de mecanizado y trayectorias de herramienta exactamente como se realizarían en la máquina real, y la interfaz Sinumerik Operate muestra gráficamente esta simulación exacta de gemelo digital.

Impresión 3D y fresado a gran escala

Las impresoras 3D termoplásticas más grandes del mundo atraen la atención inmediata de los ingenieros aeroespaciales al entrar en el inmenso Centro de Desarrollo de Ingersoll Machine Tools.

Después de acostumbrarse al tamaño puro de la máquina MasterPrint, lo que mantiene la atención de los ingenieros es la perspectiva de prototipado más rápido, plazos de entrega más cortos y reducciones del 90 % en costos de manufactura. La innovación de Ingersoll continúa con el desarrollo de la MasterPrint 5X —una máquina llave en mano de impresión y fresado con avances de productividad aún mayores que nuevamente es habilitada por la plataforma CNC Siemens Sinumerik 840D sl.

Michael Falk es ingeniero mecatrónico y líder del equipo de ventas de Siemens que ha apoyado a Ingersoll en su lanzamiento de la serie MasterPrint. Falk ha presenciado a menudo las reacciones de los ingenieros aeroespaciales que visitan el Centro de Desarrollo de Ingersoll, y puede atestiguar por qué el factor "5X" es una gran atracción. "El 90 % de las veces, cualquier cosa que se imprima en 3D necesitará ser fresada de acabado", dijo Falk. "La nueva MasterPrint hace exactamente eso como una operación llave en mano para producir las piezas más grandes del mundo incorporando tecnología de cambio automático de cabezal, desarrollada por Ingersoll y soportada por Siemens."

Falk dijo que lo que los ingenieros aeroespaciales y navales están presenciando ahora en Ingersoll es su capacidad para explorar objetivos de mejora de proceso que antes eran inalcanzables. "En octubre de 2019, la Universidad de Maine recibió tres Récords Mundiales Guinness por imprimir en 3D un barco de 25 pies de largo que realmente flota y puede transportar personas", dijo. "Lo notable es que los ingenieros de Ingersoll han superado el récord de tamaño varias veces desde entonces."

Eficiencia fresado-impresión: El enfoque MasterPrint para impresión 3D de gran formato combina la velocidad amplificada, destreza y precisión del movimiento de cinco ejes. El mismo pórtico ahora puede intercalar las funciones de impresión, fresado, colocación de fibra, colocación de cinta, inspección, recorte y más.

Impresión 3D desde cualquier ángulo: Ingersoll está lanzando la nueva MasterPrint 5X, dijo Falk. La máquina puede imprimir desde cualquier ángulo a su máxima ventaja. Así que ahora puede fabricar rápidamente un molde o pieza masiva usando la secuenciación más eficiente. La boquilla de impresión de cinco ejes cambia de orientación en consecuencia para imprimir piezas mucho más complicadas.

Sincronización de alta velocidad: "Las acciones de sincronización durante la impresión 3D es donde ocurre gran parte de la magia", dijo Falk. "Obtienes piezas con excelente apariencia y geometría de cordón consistente. La impresión se ralentiza solo lo necesario en las esquinas, luego reanuda la velocidad óptima. Las esquinas no se sobrellenan. No hay problemas de relleno, no hay estrechamiento del cordón, no hay vacíos en el utillaje y no hay acumulación de material en el interior de la pieza."

Impresión 3D robótica: Ingersoll ha aprovechado al máximo Sinumerik Run MyRobot/Control Directo, el software de compensación robótica que ahora es una característica clave del CNC Siemens Sinumerik 840D sl. Ingersoll ofrece una amplia gama de sistemas robóticos donde el CNC en la máquina puede controlar múltiples módulos operados por el mismo robot.

Herramientas para el futuro

Jason Melcher y Michael Falk han presenciado un entusiasmo incesante entre los ingenieros de Ingersoll Machine Tools que plantean preguntas exploratorias en una cultura de apoyo. Describen un entorno de laboratorio donde un ingeniero de proceso recién salido de la universidad aprende rápidamente cosas que incluso los cursos de mecatrónica más avanzados no cubren.

En Ingersoll, los ingenieros son desafiados a inventar, validar, aprender y construir un mejor proceso de mecanizado —y se les han dado las herramientas para hacerlo.

"Siemens trae una caja de herramientas abierta al proceso de diseño de máquina", dijo Falk.

"Tienes el control Sinumerik 840D de cinco ejes, un conjunto completo de motores, accionamientos y componentes. Tienes software de simulación y una invitación abierta a la innovación de terceros. Todo se une, con el CNC Sinumerik y su contraparte virtual, el kernel VNCK, convirtiéndose en el cerebro de un proceso de mecanizado mucho más evolucionado."

Nate Haug es ingeniero de proceso en Ingersoll. Es uno de los muchos ingenieros inspirados en la compañía que atestigua las ventajas de usar un conjunto más abierto de herramientas de control CNC y de movimiento. "Siemens comienza con un lenguaje de programación que nos permite hacer mucho más de lo que podríamos usando un control basado solo en 'código G'", dijo Haug. "Realmente hay dos conjuntos de herramientas. Uno es el lenguaje de Siemens que permite un rango abierto de funciones y variables. El otro conjunto de herramientas nos permite inyectar funciones condicionales en el cerebro del CN. Sin ambos conjuntos de herramientas, no podríamos hacer lo que hacemos. Estamos usando el 840D en una máquina de colocación de fibra, en una máquina de colocación robótica de fibra, en una impresora 3D, en una impresora 3D robótica, en máquinas herramienta con dos cabezales, con vertical, con cinco cabezales, con básicamente cualquier configuración."

Haug dijo que además de hacer mejoras entre las máquinas existentes en Ingersoll, él y sus colegas ingenieros están usando sus conjuntos de herramientas Siemens Sinumerik CNC para investigar vías hacia el desarrollo de nuevas máquinas. Una de esas vías está en la investigación de materiales.

"Cada material tiene sus propias propiedades de flujo", explicó Haug. "El control Siemens nos permite modificar características en el código para ajustar al material.

La plataforma CNC nos permite investigar una gama más amplia de materiales."

Las preguntas de propiedades de materiales exploran variables como resistencia, contracción, deformación y el uso de materiales isotrópicos versus anisotrópicos. Las soluciones de materiales emergen en los ámbitos de prototipado rápido para aplicaciones civiles, de defensa e infraestructura. El concepto de una impresora única también emerge, una que pueda soportar iniciativas ambiciosas como materias primas biobasadas usando celulosa derivada de recursos de madera.

Automonitorización de máquina: Si bien las inspecciones visuales realizadas manualmente siguen siendo comunes hoy en día, se están convirtiendo en respuestas analógicas a un desafío de producción cada vez más automatizado digitalmente.

Ingersoll ve llegar el día en que las inspecciones sean rutinariamente una función de la máquina como proceso secundario. Un proceso de mecanizado de colocación de fibra monitorizará la colocación, verificará cualquier defecto y asegurará la precisión y fiabilidad de la pieza. De manera similar, un proceso híbrido de impresión 3D un día imprimirá y mecanizará espalda con espalda con autovigilancia de proceso integrada sin problemas.

El desarrollo de estos procesos de autoinspección automatizados ya está soportado por la plataforma CNC y de control de movimiento de Siemens, que gobierna el posicionamiento preciso y la retroalimentación posicional. Una máquina puede detectar, rastrear e informar cualquier variación.

Como han demostrado Ingersoll y Siemens, las ventajas prometidas de la Industria 4.0 se están implementando hoy. Habiendo eliminado las fronteras para la colocación robótica de fibra a gran formato y la impresión 3D, las expectativas ahora aumentan hacia hacer mejoras revolucionarias en todo el proceso de producción de piezas.

"Es pensamiento de panorama general", dijo Jason Melcher de Ingersoll. "Cuando visitamos a un cliente, es para explorar mejora de proceso. No se trata de una tarjeta de línea de máquinas que tienen características y funciones fijas. Estamos entrando en conversaciones sobre mejoras de proceso a medida."

Para ingenieros en aeroespacial, naval y otros sectores progresistas, la innovación a mayor escala significa que ahora tienen una caja de herramientas ilimitada desde la cual explorar como nunca antes.