Superando barreras en el mecanizado de precisión sin operario (lights-out)

¿Qué es el mecanizado lights-out y qué tan realista es?

El mecanizado lights-out es un método de automatización de la fabricación para minimizar o eliminar la cantidad de interacción humana necesaria. Esta idea de reemplazar a los humanos con un dispositivo o proceso que haga el mismo trabajo más rápido, mejor o más barato no es nueva.

En los últimos años, el atractivo de la robótica y la automatización ha seguido creciendo, incluido en el campo del mecanizado de precisión. La producción totalmente automatizada lights-out —con su potencial para aumentar la productividad, mayor rendimiento, ahorro energético y reducción de costes laborales— es probablemente el sueño de todo propietario de un taller de mecanizado.

Pero la realidad es un desafío, especialmente en el mundo del mecanizado de precisión. Incluso con operaciones que afirman ofrecer producción totalmente automatizada lights-out, es una fantasía decir que cualquier servicio de mecanizado de precisión está "funcionando solo" todo el día y toda la noche.

Criterios para un mecanizado lights-out viable

Cualquier operación de fabricación lights-out —ya sea en mecanizado CNC de precisión u otro método de producción— necesita tener algunos fundamentos para tener éxito:

• Toda la maquinaria, incluidas herramientas, periféricos y programación, debe funcionar junta sin fallos. El equipo debe poder soportar operación continua, idealmente con capacidad de auto-monitoreo y autocorrección o apagado si surge un problema.
• Lo mismo ocurre con los mecanismos utilizados para alimentar material al equipo, suministrar refrigerante, eliminar residuos y descargar productos terminados.
• Y contrariamente al sueño de "no se requieren humanos", la monitorización remota por una persona —de nuevo, con la capacidad de corregir problemas menores o apagar el sistema en caso de un problema mayor— es una ventaja añadida.

Quizás lo más importante, determinar si una máquina es capaz de operación continua lights-out requiere averiguar si ofrece el más alto nivel de fiabilidad. El objetivo es un Cpk de ≥1,67 —es decir, la capacidad para que el 99,9999 % de las piezas cumplan los requisitos.

Eso es (literalmente) una tasa de fallos permitida de solo una en un millón.

Y aunque una máquina pueda manejar la operación lights-out, el punto de referencia aceptado es generalmente que lights-out solo es una solución viable si ofrece un retorno de la inversión en dos años.

Dónde se utiliza la operación lights-out hoy

Hay muchas aplicaciones donde la robótica es una bendición, incluso si solo parte del proceso de fabricación está automatizado. En todo, desde la elaboración de cerveza hasta el embalaje, desde centros de FedEx hasta almacenes de Amazon y manejo de equipaje en aeropuertos, la automatización juega un papel importante en dos circunstancias:

• Donde ofrece fiabilidad de uno en un millón

O

• Donde hay capacidad para autocorregir el proceso de manera rentable

Algunos ejemplos comunes

Las operaciones de embalaje automatizadas usan desviación go/no-go integrada para garantizar calidad durante la operación lights-out. Por ejemplo, una cámara puede verificar que el producto que sale de la línea es bueno, y la máquina puede desviar el producto defectuoso o apagarse si ocurre un problema.

La soldadura por puntos robótica se usa ampliamente para operación continua en la industria automotriz. (Puede leer más sobre soldadura por puntos por resistencia en nuestro sitio web). De hecho, es probablemente la imagen que la gente piensa más cuando imagina robots trabajando en una línea de producción.

Sin embargo, a diferencia de la fabricación de una caja de cartón, este tipo de operación requiere un nivel diferente de control de calidad. Después de todo, no puede simplemente desviar un coche entero porque una soldadura sea mala. ¿Cómo verifica que un electrodo no falló en alguna parte de una línea de montaje muy larga y compleja?

Aplicaciones principales para la automatización

En Japón, FANUC Corporation ejecuta lo que se considera ampliamente lo último en fabricación automatizada lights-out. Tiene robots operando 24×7 en un complejo gigante de 22 fábricas para producir otros robots para clientes como Tesla Motors y Apple. Según el vicepresidente de FANUC Robotics America, Gary Zywiol: "No solo es lights-out, también apagamos el aire acondicionado y la calefacción".

La automatización también se usa en todo tipo de procesos que son hostiles para los seres humanos. Esto incluye pasos de fabricación donde hay problemas de calidad o seguridad, así como donde un humano no puede trabajar al ritmo rápido de una máquina, como la soldadura por puntos automotriz descrita anteriormente.

Así, cuando el entorno de trabajo o la tarea es de alta temperatura, alta velocidad o implica sustancias tóxicas, la robótica es una tremenda ventaja.

Desafíos del lights-out en mecanizado CNC de precisión

Todo es muy intrigante. Pero aunque no estamos en contra del mecanizado lights-out, seguimos siendo apropiadamente escépticos sobre su viabilidad en el taller de mecanizado de precisión, donde la automatización continua sin supervisión sigue siendo un desafío.

Materiales utilizados

Por ejemplo, en nuestro mundo la capacidad de hacer mecanizado lights-out depende no solo de la geometría de la pieza, sino también del material utilizado. Generalmente, un material más blando —uno que no desgaste la herramienta tan rápido como uno más duro o que no cree muchas virutas fibrosas que se enrollarían alrededor de la herramienta— es un mejor candidato para tareas lights-out.

Eso significa que con un material blando apropiado, puede configurar su máquina a las 5 pm para que funcione toda la noche, y a la mañana siguiente volverá a una cesta llena de piezas dentro de tolerancia, sin ninguna herramienta rota o desgastada.

Sin embargo, un material más duro como el acero inoxidable no es recomendado por nadie para mecanizado CNC de precisión lights-out. Eso es porque un material tan duro y tenaz puede desgastar o romper las herramientas rápidamente. O llegará a la mañana a muchas piezas fuera de especificación, desperdiciando la cantidad de material que cargó en la máquina y causando estragos en su programa de entrega.

Tolerancias requeridas

Las tolerancias son otra consideración importante. Si tiene una tolerancia de ±0,005" (0,127 mm) y un material de confianza, el mecanizado de precisión lights-out no es un problema. Pero si tiene una tolerancia de ±0,0005" (0,0127 mm) o menor, está buscando problemas.

Eso es porque, dependiendo del material, el proceso va a desgastar la herramienta. Si está manteniendo un diámetro exterior (DE) de 0,0002" (0,00508 mm) y ejecuta el proceso sin supervisión, a la mañana sus piezas probablemente estarán fuera de especificación debido al desgaste de la herramienta.

Qué materiales sí y qué no en el mecanizado lights-out

Ciertos materiales son naturalmente más apropiados para el mecanizado CNC de precisión lights-out. Por ejemplo, latón, aleación de aluminio 6061 y ciertos plásticos que no tienden a producir virutas largas y fibrosas, que pueden enrollarse alrededor de la herramienta, podrían usarse.

Incluso el acero inoxidable 303 podría intentarse para mecanizado lights-out. Sin embargo, primero tendría que programar el equipo para que funcione unas horas para probarlo en mantenimiento de tolerancia y verificar desgaste de herramienta.

Algunos materiales son absolutamente inapropiados para producción lights-out. Esto incluye el favorito de la industria de dispositivos médicos, el acero inoxidable 304, que es difícil de mecanizar, produce virutas fibrosas y rebabas. Además, el 316, 17-4 y la mayoría de los demás aceros inoxidables son duros de mecanizar y pueden dañar sus herramientas.

Las superaleaciones no pueden mecanizarse lights-out, y el titanio nunca, JAMÁS debe dejarse desatendido. (Hemos visto videos de una máquina incendiándose por chispas de piezas de titanio —algo bastante genial pero definitivamente no recomendado!)

Otros obstáculos en la oscuridad

Para el mecanizado de precisión de miles y miles de piezas, la gama de tornos CNC suizos actualizados de Metal Cutting podría soportar producción lights-out, en el sentido de que podemos cargar el alimentador de barras y configurar la máquina para que funcione automáticamente. Dependiendo del diámetro, podemos cargar hasta doce barras de 0,630" (16 mm) de diámetro; con los diámetros de stock inicial estándar más pequeños de 0,090" (2,25 mm), podemos cargar aún más.

Monitorización requerida

Sin embargo, la naturaleza del mecanizado CNC de precisión es que durante un turno normal de ocho horas, aún necesita alguien presente para monitorear la carga y asegurar que todo funcione correctamente. Así que, incluso en talleres de mecanizado de precisión que dicen que funcionan lights-out, puede estar bastante seguro de que alguien está ahí para asegurar que nada salga mal.

Problemas de carga de barras

El mecanizado de precisión también plantea desafíos en la carga automática de barras. Primero, siempre debe considerar la tolerancia de diámetro en el material que va a mecanizar. Además, solo porque tenga un cargador de barras no significa que vaya a cargar el material correctamente, y hay una curva de aprendizaje en prácticamente cada proyecto emprendido.

Por ejemplo, cuando trabaja con piezas de diámetro más pequeño, si la máquina no está configurada perfectamente, puede intentar cargar dos barras de material a la vez, con resultados muy malos.

Mantener la herramienta limpia

Otro requisito es que el proceso lights-out debe incluir aire a alta presión u otro método de alta calidad para mantener el área de trabajo libre de virutas para que no recorten y desafilen la herramienta. También necesita pensar en cómo descargar las piezas terminadas, teniendo en cuenta lo delicadas que puedan ser, para asegurar que no se dañen tras el mecanizado.

Fiabilidad del lights-out en mecanizado de precisión

No nos malinterprete —no decimos que la producción lights-out sea una imposibilidad en el mecanizado CNC de precisión. Pero requiere reunir y obtener aportes de todas las partes interesadas y proveedores en la etapa de planificación, para asegurar que tiene:

• El material perfecto
• El dimensionado y geometría de pieza apropiados
• Cpk ≥1,67 en el equipo
• Tolerancias que no sean tan ajustadas que la fiabilidad del proceso del 99,9999 % no sea factible

Incluso el mecanizado más preciso tendría dificultades para ofrecer fiabilidad de uno en un millón en la herramienta, cargador de barras, suministro de refrigerante y tolerancias ajustadas. Pero si se cumplen TODAS esas condiciones, la producción lights-out puede resolverse.

Por ejemplo, aquí en Metal Cutting, podríamos probar qué máquina, herramienta y material lograrán los resultados especificados en un proceso lights-out. O podríamos probar un proceso semi-lights-out, donde programamos una máquina para producir piezas extra, no en operación continua nocturna, sino en un medio turno extra después de horas.

El problema del ROI en mecanizado de precisión

Para fabricantes que hacen el mismo producto una y otra vez, lograr un retorno de inversión dentro del punto de referencia de dos años para producción lights-out es factible. Sin embargo, el mecanizado CNC de precisión se trata en gran medida de fabricar muchas piezas diferentes en plazos más cortos.

Eso significa que para muchos talleres de mecanizado de precisión, simplemente no hay tiempo para probar si sus operaciones pueden funcionar lights-out. Además, dos años es mucho tiempo para que estos talleres esperen ver ROI, haciendo que el mecanizado lights-out sea prohibitivo en costes...

Aquí en Metal Cutting, cada día solemos cotizar nuevos proyectos de taller de mecanizado que requieren desde 200 hasta 20.000 piezas. Aunque tenemos trabajos que duran años, no a menudo tenemos proyectos que funcionen continuamente durante dos años. Así que es raro que todos los planetas se alineen y tengamos el tiempo para explorar las opciones para producción lights-out.

Al final, el mecanizado de tolerancias ajustadas tiene tantas variables que no puede garantizar fiabilidad de uno en un millón, por lo que aún no es adecuado para producción lights-out total. Aún así, cualesquiera que sean los desafíos de su proyecto, la tecnología de automatización seguramente seguirá desempeñando un papel creciente en la producción de piezas pequeñas.

Mientras tanto, para consejos sobre cómo crear las mejores especificaciones para sus piezas pequeñas, descargue nuestra guía gratuita, Cómo ajustar su solicitud de cotización a su máxima ventaja: Preguntas frecuentes en el suministro de piezas pequeñas.