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técnica y MAYO 2013

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WWW.INTEREMPRESAS.NET

Nuevas tecnologías de mecanizado REPORTAJE

ARTÍCULO

ÚLTIMOS AVANCES EN TÉCNICAS DE MECANIZADO

AUMENTO DEL RENDIMIENTO DE LOS MATERIALES MEDIANTE TRATAMIENTO CRIOGÉNICO

ARTÍCULO TECNOLOGÍAS ECOLÓGICAS DE MECANIZADO: MECANIZADO EN SECO Y BIOMECANIZADO

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CNC | ROBOT | ROBOMACHINE

En el sector industrial de alta precisión, los CNC diseñados por FANUC garantizan la máxima precisión y calidad superficial a la vez que tiempos de ciclo cortos (para campos como el de relojería, equipos médicos y otros productos complejos). Las superficies quedan perfectamente pulidas gracias a las características de alta velocidad y alta precisión de los controles FANUC. Fiable, dinámico, extremadamente preciso. FANUC, su solución para cualquier reto de mecanizado que requiera la máxima precisión.

Tecnología de precisión de última generación

Referencia en perfección

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sumarioeditorial ARTÍCULOS

10 El mecanizado criogénico permite garantizar la seguridad de las piezas del sector aeronáutico

14 Aumento del rendimiento de los materiales mediante tratamiento criogénico

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Tecnologías ecológicas de mecanizado: mecanizado en seco y biomecanizado

Alternativas al mecanizado con taladrina

Mecanizado combinado seguro

Investigadores de la UPC-Barcelona Tech desarrollan una impresora 3D

Fabricación aditiva: un avance médico en 3D

REPORTA JES

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Nuevas tecnologías de mecanizado

Foto portada: Flavio Takemoto.

nova àgora, s.l. Amadeu Vives, 20-22 • 08750 Molins de Rei (Barcelona) Tel. 93 680 20 27 • Fax 93 680 20 31 Delegación Madrid Av. Sur del Aeropuerto de Barajas, 38 Centro de Negocios Eisenhower, edificio 3, planta 2, local 4 • 28042 Madrid Tel. 91 329 14 31 [email protected] • www.interempresas.net [email protected]

Nuevas tecnologías para una economía equilibrada Lo que en algunos foros se conoce como ‘manufacturing’, es decir la fabricación, ha ido perdiendo terreno en Europa conforme lo han ido ganando otras áreas geográficas bien preparadas, o medianamente preparadas, pero con costes muy inferiores a los nuestros. Ante esta tesitura, en los últimos años hay movimientos importantes para que el ‘manufacturing’ recupere el protagonismo que le corresponde en una Europa que, si quiere tener una economía equilibrada, debe apostar decididamente por la industria. Una Europa sin industria, una apuesta por aquella idea de que aquí diseñamos y pensamos, pero ‘allí’ fabrican, porque es más barato, tiene un periodo de éxito con fecha de caducidad. En medio de todo ello sigue habiendo muchos centros tecnológicos y empresas que buscan permanentemente nuevas formas de fabricación, nuevas maneras de llegar a la productividad o de minimizar el impacto sobre el medio ambiente, con menor consumo de taladrinas, por ejemplo, entidades que abordan la innovación convencidas de que solo por esa vía tenemos un futuro. A pesar de las malas condiciones del mercado, se están produciendo avances en los medios productivos relacionados con el mecanizado, fundamentalmente las máquinas-herramientas y los procesos. Tal y como se explica en el interesante artículo de Ideko que publicamos en las siguientes páginas, las piezas están inmersas en una tendencia que exige un aumento de la precisión, una mayor complejidad. Están condicionadas, además, por la reducción de los tamaños de los lotes y por la manifestación, cada vez más clara, de dos tipos de piezas como son el de las piezas grandes y el de las piezas pequeñas. Y, desde luego, otro factor muy importante como es la entrada de nuevos materiales está condicionando el desarrollo de las máquinas, de las herramientas y de todos los útiles relacionados con el mecanizado. Por otro lado, nos hacemos eco en esta publicación de la línea de investigación del mecanizado criogénico para el desarrollo de piezas de seguridad destinadas al sector aeronáutico. Este método de mecanizado reduce el impacto sobre el medio ambiente de los métodos convencionales, aumenta notablemente la vida útil de las piezas de seguridad y reduce los costes. El mecanizado criogénico refrigera la herramienta de corte y los puntos críticos de la pieza durante el mecanizado, gracias al empleo de un gas refrigerante muy frío, que puede ser nitrógeno líquido o CO2. Pero no solo en este ámbito está ganando terreno el recurso de la criogenización. En otro de los artículos presentamos los avances en los tratamientos criogénicos para mejorar las propiedades de los materiales. En este caso, el tratamiento criogénico no es más que un proceso térmico en el que el material es sometido, durante alguna o algunas fases del mismo, a temperaturas de -180 °C. De la fabricación aditiva se está hablando mucho en los últimos años. De hecho es una técnica presente en el mercado desde hace ya un tiempo, pero que está teniendo dificultades para adquirir un protagonismo mayor en la industria, a pesar de sus múltiples ventajas. No obstante, no cabe duda de que cada vez es más real. Existen numerosos ejemplos prácticos de piezas que ya se están realizando mediante estás técnicas, no solo para la fase de prototipado, sino también como piezas finales. ¿De un archivo digital directamente a la pieza sin pasar por el mecanizado? Es posible, no es nuevo y ya se está haciendo. También informamos sobre ello en las próximas páginas. Las nuevas tecnologías son un territorio grande, unas veces todavía por explorar, otras muy controlado, aunque no suficientemente implantado. Pero algo se está moviendo en las técnicas de fabricación y así debe ser. Porque como ya se ha dicho, solo una industria potente y estable dará el equilibrio necesario a la economía europea.

Tirada y difusión de la revista y además en internet auditada y controlada por:

D.L. B-30686-2012 / ISSN 2014-8305

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Reportaje

Refrigeración eficiente en rectificado con nuevo diseño de toberas.

Los mercados son cada vez más exigentes en términos de calidad, plazos de entrega, costes, o lotes más cortos

NUEVAS TECNOLOGÍAS

DE MECANIZADO El mecanizado ha pasado por gran cantidad de vicisitudes a lo largo de los últimos tiempos, como el que va a disminuir drásticamente o que se va a desplazar a otros países. En la actualidad hay grandes apuestas de países como Estados Unidos, Inglaterra y Alemania, entre otros, que apuestan por recuperar el manufacturing, entre el que se incluye el mecanizado, incentivando su implantación. Por otro lado, dentro de la Unión Europea se considera el manufacturing como un sector estratégico y se está contemplando en sus planes de futuro.

José Ángel Marañón, responsable de explotación y programas de empresa de IK4-Ideko Centro Tecnológico

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Reportaje

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os mercados son cada vez más exigentes en términos de calidad, plazos de entrega, costes, lotes cada vez más cortos, etc. Y nos encontramos con clientes cada vez menos fieles. Es por ello que es necesario adaptarse a los tiempos por medio de los sistemas productivos. Se están produciendo avances en los medios productivos relacionados con el mecanizado, fundamentalmente las máquinas-herramientas y los procesos, buscando dar respuesta a las exigencias de los mercados. Dentro de este último punto vamos a realizar un pequeño análisis sobre qué está ocurriendo en este campo del mecanizado ya que el abanico que se abre es muy grande.

Los mercados y las piezas a mecanizar Los mercados están siendo cada vez más dinámicos y nos encontramos con las siguientes características: • Productos con ciclo de vida más cortos • Gran variedad dentro del mismo producto • Personalización de los productos • Apuesta por la calidad y la fiabilidad • Productos tecnológicos • Nuevos usuarios y usos • Menor fiabilidad de los clientes • Clientes más sofisticados • Globalización de la producción • Evolución de los sistemas de producción Esta evolución de los mercados trae como consecuencia la adaptación de las empresas siendo cada vez menos válidos los modelos tradicionales. Y habrá que adaptarse a modelos que contemplen: • La posibilidad de realizar gran variedad de productos • Posibilitar los cambios rápidos de producto • Empresas ajustadas - descentralizadas • Stock cero - just in time • Fabricación bajo demanda • Hacerlo bien a la primera • Etc. Bajando más a detalle, es decir a nivel pieza, se están produciendo cambios importantes en las mismas como son: • El aumento de la precisión en todas las características de las piezas como son las dimensionales, superficiales, geométricas y de integridad superficial con objeto de aumentar la fiabilidad de las mismas. • El aumento de complejidad de las piezas que al aumentar las posibilidades de mecanizado, sobre todo los 5 ejes, ha permitido diseñar piezas más complejas. • La reducción de los tamaños de los lotes. Estos son cada vez más cortos e incluso unitarios lo que hace que para ser competitivos hay que tener los medios productivos más apropiados y flexibles. • El tamaño de la pieza con la aparición de dos nuevos sectores cada vez más importantes y opuestos como son el de las piezas grandes y el de las piezas pequeñas.

• La entrada de nuevos materiales denominados hasta hace unos años exóticos, pero cada vez más habituales como pueden ser titanio, inconel, fibras de carbono, fibras de vidrio, etc. Y muchos de ellos con difícil maquinabilidad o consistencia. Por lo tanto para poder ser competitivos dentro de este sector es necesario poder ofrecer precisión, flexibilidad, menos coste y un mejor plazo de entrega. Así pues, cuando se vaya a elegir un medio productivo o un proceso de mecanizado, son aspectos que tienen que primar a la hora de analizar la oferta y la posterior elección de los medios productivos más apropiados. Hoy en día hay una gran oferta y muchos de los medios productivos se están adecuando de una u otra forma para dar respuesta a las premisas enumeradas anteriormente.

Medición de deformaciones térmicas en máquina.

Diseño del mecanizado Hoy en día es cada vez más importante el diseño del proceso de mecanizado ya que no sólo es necesario hacer la pieza, sino que hay que hacerla con unas tolerancias más justadas, más rápido, con geometrías más complejas y bien a la primera y en muchos casos utilizando un gran número de herramientas heterogéneas e incluso contemplando diferentes tecnologías dentro de la misma máquina. Para realizar el diseño del proceso de mecanizado se cuenta hoy en día con programas de ayuda a la programación (CAM) que realmente ayudan a analizar diferentes estrategias de mecanizado, en la mayoría de los casos desde un punto de vista de tiempos, pero ya están entrando en el mercado simu-

Medición y posicionamiento de pieza con fotogrametría.

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Reportaje

La tendencia es hacia piezas grandes.

laciones de estados superficiales y fuerzas generadas, y por lo tanto se puede simular la estrategia elegida y en un gran número de casos acercarse en gran medida a la realidad. Dentro del mecanizado es importante elegir o definir las estrategias que se van a empelar en el mecanizado ya que se pueden obtener diferentes resultados tanto en tiempos de ejecución como en calidad. Dentro de las estrategias se pueden enumerar el mecanizado de alto rendimiento y el de alta velocidad. Por otro lado es importante conocer la maquinabilidad del material ya que puede que nos obligue a tener que optar por estrategias más adecuadas al material. También tenemos la geometría de la pieza a mecanizar en forma de complejidad geométrica o paredes delgadas entre otros en este aspecto es importante el sacar el mayor partico a los ejes que tenga la máquina. Otras estrategias que existen hoy en día están relacionadas con la forma geométrica en que se realiza el mecanizado, es decir, la forma en que se lleva la herramienta para conseguir la geometría de corte como puede ser el corte planetario. Se ha comentado que en muchos casos se incluyen diferentes tecnologías de procesado de materiales dentro de la misma máquina y por lo tanto no sólo es válido el tener una buena estrategia en una tecnología sino que será necesario el poder realizar estrategias en diferentes tecnologías. Dentro de este apartado de multi-tecnologías es importante analizar las colisiones que se pudieran producir durante el mecanizado y para ello se tienen soluciones tanto desde el aspecto de simulación como en tiempo real en las máquinas.

El aseguramiento de la precisión Se ha comentado anteriormente que uno de los aspectos fundamentales de las nuevas tendencias del mecanizado es la precisión y por lo tanto los sistemas de medición e inspección adquieren un posicionamiento fundamental. La tendencia es incluirlos dentro del proceso productivo, en la medida de lo posible, y pueden ser in-process o post-process. La tecnología de medición está avanzando de forma rápida en la medida que se están desarrollando soluciones basadas en sistemas que antes no se empleaban para este tipo de mediciones debido a su coste o al propio estado de la tecnología. Las tecnologías que se utilizan son de lo más variadas y hay que tener en cuanta cual es la que mejor se adapta a la medición que se quiera realizar de la forma más económica, pero cumpliendo con los objetivos y la fiabilidad 6/

de la medición. Las exigencias de medir con una mayor precisión junto con la aparición de superficies cada vez más complejas o que no admiten ser tocadas durante el proceso están llevando al desarrollo de nuevas tecnologías de medición sin contacto para la detección y la medición. Un requisito que está evolucionando es el de la medición de las tensiones residuales dentro del apartado de la integridad superficial de la pieza y es un aspecto que se debiera tener en cuenta incluso en el apartado anterior, referente al diseño del mecanizado, ya que en función del proceso de mecanizado que se aplique se generarán o no tensiones residuales perjudiciales para la pieza y es posible que dentro de los procesos a lo que someter la pieza haya que incluir operaciones de relajación. Las tendencias y desarrollos están orientados a un aumento de la automatización de los sistemas de inspección y medición. Además de la automatización está el desarrollo del aumento de la velocidad de medición y de la precisión. Así mismo está la incorporación de cada vez más ‘inteligencia’ a los sistemas de medida y de interfaces hombre-sistema de medida cada vez más amigables y con más información. En el apartado de medición e inspección de piezas y procesos hoy en día hay muchas tecnologías y dispositivos y hay que tener muy claro cuál es el más conveniente para cada caso. Dando un repaso, sin entrar en detalles de sus funcionamientos técnicos, los sistemas y tecnologías que más están sobresaliendo fuera de las tradicionales están: • Los ultrasonidos • Los sistemas basados en el láser • La termografía • La fotogrametría • La visión artificial • Los sistemas de medida por contacto • Los rayos X En el apartado de los sistemas productivos también se están dando grandes pasos a la hora de conseguir que sean cada vez más precisos incorporando sistemas de medición dentro de los propios sistemas, aparte de los ya necesarios para el control de los movimientos. Estos sistemas se basan básicamente en dos las temperaturas y las vibraciones desarrollando máquinas cada vez más ‘inteligentes’ que minimicen los errores producidos debidos a estos efectos por medio de adaptaciones del sistema productivo.

Procesos de mecanizado Dentro de los procesos de mecanizado hay que distinguir tres grandes apartados: • Procesos que se llevan a cabo con herramientas de corte definido. Estos procesos son los más conocidos como el torneado, fresado, taladrado, roscado, etc. En este apartado se están desarrollando nuevas geometrías de corte, nuevos recubrimientos, herramientas más multifunción, etc. Los mayores avances van a venir por la mejora de los modelos teóricos de corte y de acabado acercándose cada vez más a la realidad con objeto de poder predecir el

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Reportaje

resultado final y poder tener simulaciones más realistas de los procesos de mecanizado. Por otro lado estos modelos van a permitir dotar de más inteligencia a las máquinas pudiendo tener controles más adaptativos a los procesos. • Procesos que se llevan a cabo con herramientas de corte no definido. Estos procesos son los considerados dentro de la abrasión como es el rectificado. Dentro de este tipo de procesos se están desarrollando nuevos tipos de muelas con mayor capacidad de arranque. Se están mejorando los modelos de mecanizado, que aunque están en una fase anterior a los de corte definido están avanzando muy deprisa y con el mismo objetivo. El desarrollo de estos modelos permitirán acertar en los parámetros de corte a seleccionar en el rectificado así como para eliminar problemas que surgen durante el proceso de rectificado como pueden ser quemados, errores de formas, vibraciones, etc. • Otro tipo de procesos. Dentro de este apartado es donde más cambios se están produciendo debido a la industrialización de procesos que antes eran más de laboratorio como son, entre otros: • 3.1. Los sistemas basados en láser para la fabricación ‘near net shape’ (cercano a la forma final) más conocido como prototipado rápido en 3D de piezas metálicas bien sea con aporte de material o por solidificación de capas. Este proceso está pasando de ser de prototipado a industrial. O la utilización del láser para el temple in-process o como proceso de apoyo a otros. Además de los ya conocidos de corte, grabado, etc. • 3.2. Los ultrasonidos como apoyo a operaciones más clásicas como el taladrado, el torneado o el rectificado entre otros. Permitiendo trabajar materiales de difícil maquinabilidad o con mucha fragilidad. • 3.3. El mecanizado electroquímico como alternativa al fresado. • 3.4. El ‘roller burnishing’ como proceso basado en la deformación plástica de material con objeto de eliminar las tensiones residuales ‘malas’ o de tracción y para poder conseguir mejores acabados superficiales. • 3.5. El corte por agua como proceso de corte que empieza a dar resultados en fresado. Otro aspecto importante dentro de los procesos de mecanizado y que hay que tener en cuenta es la ‘guerra’ entre procesos ya que se están comiendo terreno unos a otros abarcando unos procesos los que antes eran exclusivos de otros y por lo tanto hay que incorporarlos a la hora de diseñar los procesos. Dentro de estos procesos están entre otros: • Torneado en duro frente a rectificado. • Rectificado por peeling frente al torneado. • Rectificado en ‘creep feed’ frente al fresado. • Brochado frente al rectificado con creep feed o el fresado. • El rectificado con creep feed frente al ‘speed stroke’. Etc. Es importante conocer las posibilidades, limitaciones y el coste de las operaciones para poder elegir una u otra tecnología.

La sostenibilidad de los procesos La sostenibilidad es uno de los aspectos más importantes dentro de las tendencias en mecanizado. Reducir el impacto medioambiental es una de las búsquedas dentro de los desarrollos de máquinas y procesos. El concepto del coste de ciclo de vida de la máquina (LCC) con acciones de reducir el consumo energético o incluso con técnicas de ecodiseño para minimizar el impacto medioambiental en la propia construcción de la máquina son aspectos que se están desarrollando. Así mismo hay acciones de mejoras de las condiciones de corte o de reducción de residuos que están avanzando por medio de controles adaptativos o control de problemas en máquinas que permitan tener piezas con cero defectos. Un aspecto que ha comenzado a darse es las tecnologías ‘lean’ dentro del desarrollo de las máquinas haciéndolas más compactas con objeto de emplear el mínimo espacio disponible y dentro de este apartado se podría incluir el mecanizado en vertical. En el apartado de los procesos un factor importante es la refrigeración de los procesos de mecanizado, si bien hay procesos que se pueden realizar en seco hay un gran número de procesos que necesitan de refrigerante y en algunos casos de una gran cantidad de refrigerante en forma de caudal o de presión o ambos. Dentro de este apartado hace años que se desarrolló la tecnología de MQL (mínima cantidad de lubricante), pero todavía no está explotada en su totalidad. Por otro lado ha comenzado a emplearse la criogenización para apoyo al mecanizado en operaciones de fresado, taladrado y torneado con objeto de aumentar la vida de la herramienta. Si analizamos el rectificado, que es uno de los procesos que más refrigerante utiliza nos encontramos con varias tendencias. La primera de ellas es utilizar el calor generado para templar la pieza lo que se denomina Green Hardening. La segunda es la optimización de las toberas que proyectan el refrigerante cobre el contacto muela – pieza buscando una mayor efectividad y aumentar la vida de la muela así como efectuar cambio en los parámetros del proceso para aumentar la productividad. La tercera es el empleo del concepto de criogenización congelando el refrigerante sobre la superficie de la muela para que por efecto del calor del contacto muela- pieza se descongele, este proceso permite reducir drásticamente el consumo de refrigerante y se considera como el MQL del rectificado. Otros aspectos relacionados con la sostenibilidad pueden ser el de recuperación de la energía en la máquina cuando se efectúan los frenados, el dejar la máquina en standby, bien toda la máquina o componentes que no están en uso, Tener conceptos amigables para su utilización, concepto friendly. La mejora de aspectos de ergonomía y seguridad

Sistema activo de eliminación de vibraciones in-process.

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Reportaje

La inteligencia dentro del mecanizado

Sistema MQL en rectificado con criogenización del refrigerante.

en las máquinas. Incluso hay empresas que el concepto estético está cogiendo importancia con estudios que dicen que mejora la productividad.

Las máquinas Dentro del mecanizado un aspecto fundamental es la máquina con las diferentes arquitecturas, componentes, funciones, etc. Sería muy largo analizar todas las tendencias que existen en sistemas de guiado, motores, cabezales, materiales, arquitecturas, velocidades, etc. Por lo que nos vamos a centrar en dar un breve repaso a las máquinas denominadas multitask o multifunción. Las máquinas multifunción han existido desde siempre pero es en la actualidad donde está cogiendo más auge debido sobre todo a la flexibilidad que permiten para atacar lotes cortes o unitarios de fabricación. Este tipo de máquinas, tal y como los conocemos ahora, nació sobre los centros de torneado y se ha ido extendiendo a otros tipos de máquinas como fresadoras, rectificadoras, etc. Esto nos lleva a que se está realizando multifunción sobre plataformas de partida de máquinas muy diferentes y habrá que tener claro qué se está persiguiendo con la multifunción para la elección de la más apropiada. No es lo mismo una rectificadora que tornea en duro que un torno que rectifica, por poner un ejemplo. Dentro del concepto multitask están entrando todo tipo de tecnologías con objeto de terminar la pieza dentro de la máquina así se está incluyendo temas como temple, soldadura, brochado, galeteado, montaje, grabado, tallado de engranes, etc. Por lo que su manejo, para sacar el máximo rendimiento, es muy complicado y es necesario la programación por medio de programas CAM ya que se mezclan muchos conceptos y es necesaria una formación añadida ya que no vale con fresador o tornero sino que al incluir más tecnologías habrá que formar a los usuarios y a los diseñadores de los procesos otras tecnologías. En este tipo de máquinas es importante el concepto de simulación ya que se emplean una gran cantidad de herramientas y dispositivos que pueden dar lugar a colisiones con algunas partes de las máquinas. 8/

Un apartado importante dentro de los desarrollos que se están llevando a cabo es el dotar a los medios productivos de una mayor ‘inteligencia’ las denominadas ‘smart machine’. Dentro de esta denominación entra un gran abanico de tecnologías algunas de las cuales ya están en el mercado con una mayor o menor automatización y otras están por venir. Algunos de los desarrollos que ya están, y que no por ello se está dejando de investigar, son los relacionados con las vibraciones y las deformaciones debido a los cambios de temperaturas y las correcciones de errores correspondientes en forma de cambio de parámetros de corte u otro tipo de compensaciones geométricas o dinámicas. Otros avances se están dando alrededor de los controles adaptativos con objeto de que sea la máquina la que ‘elija’, en base a una serie de informaciones captadas por medio de sensores, como adaptar el proceso a las condiciones cambiantes del mismo. Estos controles adaptativo están en muchos casos basado en sistemas de inteligencia artificial. Los conceptos de monitorización de los procesos productivos se están llevando a cabo para lo anteriormente expuesto así como para obtener conocimiento de lo que está pasando y poder explotar esta información desde aspectos como errores en componentes de las máquinas, gestión de las alarmas, archivo de las incidencias, control de mantenimientos, etc. Otro aspecto importante es la relación entre el hombre y la máquina, es decir cómo hacer más amigable el manejo de los sistemas productivos y para ello se están realizando desarrollos en temas relacionados con interfaces más amigables, ingeniería emocional, realidad aumentada, manejo gestual, etc. Así mismo se está trabajando en las relaciones máquina hombre y por otro lado está la integración de la máquina dentro de la red de la empresa como un elemento más.

Conclusión Tras realizar un breve repaso a algunas de las tendencias que existen hoy en día se observa que hay muchos frentes abiertos para la mejora del mecanizado y desde diferentes ópticas. La respuesta que hay que dar a los mercados se centra en la flexibilidad para dar respuesta a las series cortas con una mayor exigencia de calidad haciéndolo bien a la primera. Está cambiando el escenario del mecanizado con la evolución de los medios productivos, los avances en los procesos, las herramientas y la tendencia a terminar todo en una máquina. El futuro del mecanizado pasa por dar una respuesta a las exigencias de los mercados incorporando medios productivos más flexibles y precisos y cada vez más inteligentes buscando una mayor sostenibilidad tanto en eficiencia energética como en generación de residuos. /

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UNA INNOVACIÓN TECNOLÓGICA QUE LE AYUDARÁ A ELEVAR SU NEGOCIO

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/ MECANIZADO CR IOGÉNICO

EL MECANIZADO CRIOGÉNICO PERMITE GARANTIZAR LA SEGURIDAD DE LAS PIEZAS DEL SECTOR AERONÁUTICO I R AT I K O RTABITARTE

CIC marGUNE, Centro de Investigación Cooperativa de Fabricación de Alto Rendimiento, coordina una línea de investigación del mecanizado criogénico para el desarrollo de piezas de seguridad para el sector aeronáutico. Este método de mecanizado permite un impacto menor sobre el medio ambiente que los métodos convencionales. Además, aumenta notablemente la vida útil de las piezas de seguridad y reduce los costes. CIC marGUNE trabaja en colaboración con el Grupo de Fabricación de Alto Rendimiento de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao (UPV/EHU), Tecnalia y la Universidad de Mondragón.

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l mecanizado criogénico consiste en emplear un gas refrigerante en el proceso de mecanizado. CIC marGUNE, Centro de Investigación Cooperativa de Fabricación de Alto Rendimiento, coordina una línea de investigación del mecanizado criogénico, donde participan la UPV/EHU, Tecnalia y la Universidad de Mondragón. El objetivo de la línea de investigación es garantizar un proceso de fabricación limpio y, además, contribuir a la seguridad de las piezas del sector aeronáutico. El mecanizado es un proceso de fabricación de piezas mediante la eliminación de material por arranque de viruta. Los fluidos de corte que se utilizan en la mayoría de las operaciones de mecanizado por arranque de viruta tienen dos objetivos: por un lado, lubricar la zona de corte, y por otro lado, refrigerar, es decir, eliminar el calor producido en la zona de corte para no afectar a la superficie mecanizada. Pero dichos fluidos son dañinos para el medio ambiente y para las personas —hay unas cien enfermedades asociadas a este tipo de lubricante—. Para solventar los problemas que presentan los métodos de mecanizado convencionales, una de las principales alternativas que se está investigando actualmente es el mecanizado criogénico. Un método innovador de refrigerar la herramienta de corte y los puntos críticos de la pieza durante el mecanizado, gracias al empleo de un gas refrigerante muy frío, que puede ser nitrógeno líquido o CO2. Tanto el nitrógeno líquido como el CO2 son productos básicos y baratos, pero además, “el CO2 se puede aplicar de manera externa en una máquina ya existente, sin necesidad de realizar ninguna modificación en dicha máquina, con la inversión

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/ M ECA NIZADO CRIOGÉNICO

que ello supone”, cuenta Franck Girot, coordinador de la línea de investigación de CIC marGUNE. Hay ya pruebas de que la tecnología funciona, y por tanto se trata de una línea de investigación directamente relacionada con nuestras empresas, y que puede llegar al mercado en breve.

Mayor seguridad y menor coste Actualmente se está trabajando con piezas de seguridad para el sector aeronáutico, automoción, ferrocarril, etc. Sectores en los cuales las piezas o los componentes que se mecanizan tienen que tener cierta calidad y, sobre todo, no han de presentar daños superficiales, ya que generalmente una rotura de pieza se genera debido a defectos superficiales. Por ello, “para este tipo de aplicaciones el mecanizado criogénico es una garantía de cara a evitar dichos defectos” señala Girot. “Se trata de un tema cada vez más controlado sobre todo en el sector aeronáutico” añade. Cada pieza realizada tiene un seguimiento específico para conocer en qué condiciones se ha realizado el mecanizado y, al mismo tiempo, garantizar que dicha pieza en su ciclo de vida no se va romper debido a defectos superficiales. Girot destaca que, en comparación con los sistemas de

mecanizado convencionales, la refrigeración de la región cortante, que experimenta la temperatura más alta durante el proceso, evita cambios en la microestructura de la herramienta. Esto se manifiesta en mejoras, a menudo notables, en ciertas prestaciones de los materiales, destacando, entre otras, el aumento de la vida de las piezas hasta un 50 ó 100%, la resistencia al desgaste, la vida a fatiga, etc. Además, “es un proceso totalmente respetuoso con el medio ambiente, ya que durante su realización no se genera ningún tipo de vertido o residuo”, señala Girot. Los gases criogénicos se obtienen de otros procesos, por lo tanto, es un segundo uso de gases, que si no, se debieran eliminar sin mayor beneficio. Durante el mecanizado de las piezas el fluido se evapora rápidamente y vuelve de forma natural a la atmósfera. La pieza queda completamente limpia de impregnaciones de fluidos de corte y no se genera ningún residuo que contamine la máquina herramienta, las virutas o el lugar de trabajo. Esto representa una mejora económica importante. El sistema puede trabajar a velocidades más elevadas que con máquinas de mecanizado convencionales. Por tanto, aumenta la productividad y consigue un trabajo de mayor calidad, lo que se traduce en una reducción de los costes de obtención de las piezas. /

El mecanizado criogénico es una de las alternativas que podrían solventar los problemas que presentan los métodos de mecanizado convencionales.

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AUMENTO DEL RENDIMIENTO DE LOS MATERIALES MEDIANTE TRATAMIENTO CRIOGÉNICO MODIFICACIÓN DE LAS RUTAS DE TRATAMIENTO TÉRMICO

L U I S Á N G EL ÁLAVA, COORDINADOR DEL ÁREA D E T R ATA MIENTOS CRIOGÉNICOS DE IK4-AZTERLAN

A pesar de mostrar un incuestionable potencial para mejorar el rendimiento de una amplia variedad de materiales y aplicaciones, los tratamientos criogénicos apenas se han llegado a implantar en la industria. No obstante, la actividad investigadora en este campo ha aumentado notablemente, especialmente a lo largo de la última década, haciendo evidentes importantes oportunidades de desarrollo basadas en la aplicación controlada de temperaturas extremadamente bajas a los materiales.

E

n el ámbito del tratamiento de materiales, el término criogénico se aplica a las temperaturas inferiores a 120 K (-153,15 °C). Hay que hacer notar que estas temperaturas tan bajas, propias del espacio exterior, no existen en la naturaleza. De hecho, la temperatura más baja registrada hasta la fecha en nuestro planeta es de -89,2 °C (Antártida, 1983), muy lejos aún del rango que se ha definido como criogénico. Esto explica que el desarrollo y aplicación de los tratamientos criogénicos sea un hecho relativamente reciente ya que no se tuvo acceso a temperaturas tan bajas hasta que, ya a finales del siglo XIX, se consiguió la licuefacción de los gases (a una atmósfera de presión, la ebullición del nitrógeno se produce a -195,8 °C). Aunque las primeras experiencias datan de los albores del siglo XX, desde un punto de vista industrial no se puede hablar de tratamientos criogénicos hasta las décadas de los 70 y 80 cuando aparecieron, en Norteamérica, las primeras empresas que se dedicaban a realizar este tipo de procesos. Posteriormente, se han ido extendiendo por todo el mundo aunque, en general, sigue siendo una tecnología poco conocida y con escasa implantación. La situación en Europa no es diferente e, incluso, podría afirmarse que existe un retraso significativo si se compara con la que se da en otras zonas del mundo como Norteamérica y Asia.

Qué es un tratamiento criogénico y para qué sirve Para tratar de comprender las transformaciones provocadas en los materiales por las temperaturas criogénicas, es preciso ser conscientes de que nuestra vida se desarrolla en el entorno de los 300 K (≈23 °C). Esto quiere decir que en los materiales existe todavía un considerable margen de 14 /

Foto: Nimalan Tharmalingam.

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temperatura con el que poder jugar y, a pesar de lo que pudiera creerse, son muchos los que responden a las bajadas de temperatura experimentando transformaciones estructurales que, a su vez, tienen un reflejo en sus prestaciones. En esencia, un tratamiento criogénico no es más que un tratamiento térmico en el que el material es sometido, durante alguna o algunas fases del mismo, a temperaturas criogénicas. Un tratamiento criogénico típico consiste en enfriar lentamente el material hasta llegar a unos -180 °C, mantenerlo a esa temperatura durante un periodo prolongado de tiempo (frecuentemente del orden de un día) y volver a calentarlo hasta la temperatura ambiente. Normalmente el proceso se complementa con uno o más revenidos. Este es el esquema habitual de los tratamientos criogénicos empleados en la industria que, como puede apreciarse, tienen en su larga duración un inconveniente claro (pueden ser necesarios dos o, incluso, más días para completar un proceso/tratamiento de este tipo). A finales de los 90 se desarrolló un nuevo tipo de tratamientos que, en esencia, se basa en la repetición ciclos criogénicos cortos y rápidos. A este tipo de procesos se les denomina tratamientos criogénicos multietapa o ‘thermal cycling’. Este esquema de tratamiento permite reducir notablemente el tiempo de proceso (un tratamiento multietapa típico puede durar menos de 15 horas), lo cual permite reducir consumos y costes. A esto hay que añadir que los resultados que se alcanzan con este tipo de procesos son, en general, superiores a los que se obtienen con los tratamientos criogénicos convencionales descritos anteriormente. No obstante, aún hay muy pocas empresas en el

mundo que realizan procesos criogénicos multietapa (IK4Azterlan es una de ellas) por lo que el sistema convencional todavía es el utilizado mayoritariamente en la industria. Las bajas temperaturas desencadenan una serie de transformaciones, generalmente muy sutiles, en los materiales. Aunque aún quedan ciertas incógnitas por resolver se sabe que, en el acero, se potencia la transformación de austenita en martensita, se produce una precipitación de carburos finos y las tensiones residuales disminuyen. Las transformaciones microestructurales generadas por los tratamientos criogénicos pueden producir cambios, más o menos acusados, en parámetros como la dureza, la resistencia al desgaste, la vida a fatiga, la tenacidad, la conductividad, la estabilidad dimensional, la resistencia a la corrosión… Obviamente, los resultados obtenidos en la práctica dependen del tipo de material sometido al trata-

Procesadores criogénicos multietapa de IK4-Azterlan.

No es raro que las fresas madre de acero rápido tratadas criogénicamente mejoren entre un 50 y un 100% su rendimiento entre afilados.

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miento, pero también de la aplicación en la que se utilice. Los materiales cuyas prestaciones son susceptibles de mejora mediante la aplicación de tratamientos criogénicos son muy variados e incluyen aceros de todo tipo (de herramientas, HSS, inoxidables, pulvimetalúrgicos, etc.), fundición, metal duro, aleaciones de cobre, aleaciones de aluminio, otros metales (titanio, níquel, tungsteno…) e, incluso, composites y algunos polímeros. Los tratamientos criogénicos no dejan de ser procesos térmicos másicos y, como tales, afectan a todo el volumen del material tratado. No son tratamientos superficiales y, por consiguiente, los elementos tratados pueden ser mecanizados o rectificados sin pérdida de prestaciones. Por otra parte, son perfectamente compatibles con la mayor parte de los tratamientos superficiales y recubrimientos antidesgaste (nitruración, PVD, etc.) de uso habitual en la industria.

Resultados prácticos Hoy en día, la disponibilidad de productos tratados criogénicamente en el mercado es escasa y, por ello, lo habitual es que sea el propio usuario quien, por su cuenta, decide aplicar el proceso a sus herramientas y materiales. Esto quiere decir que, en la práctica, el tratamiento criogénico suele ser un proceso adicional aplicado a materiales que han sido sometidos a tratamiento térmico previamente. Lo expuesto anteriormente en relación con los materiales que se pueden tratar y con los efectos que se pueden lograr en los mismos, permite adivinar que los tratamientos criogénicos tienen un amplísimo rango de aplicaciones, algo que de hecho ocurre. Esta tecnología se utiliza con éxito en ámbitos tan diversos como el metalmecánico, la automoción, la industria aeroespacial, la minería, las obras públicas, la industria de la madera, el sector eléctrico, etc. En general, donde exista un problema de desgaste o fatiga habrá una posibilidad de utilizar con éxito este tipo de procesos. El tratamiento criogénico de herramientas y utillajes es, probablemente, la aplicación más común de esta tecnología. Herramientas de mecanizado (brocas, fresas, escariadores, brochas, plaquitas de metal duro, etc.), punzones y matrices, cuchillas, sierras, moldes, rodillos, etc., son elementos cuyo rendimiento puede aumentar, a veces espectacularmente, si se someten a tratamiento criogénico. Algo similar ocurre cuando se tratan consumibles como electrodos de soldadura por resistencia, muelles, rodamientos, etc. No es raro que, tras someterse a tratamiento criogénico, una cuchilla corte el doble de madera, unos electrodos de cobre tripliquen el número de soldaduras realizadas o una fresa madre de acero rápido permita fabricar un 50 % más de engranajes antes de necesitar un nuevo afilado. Aunque los utillajes y consumibles son el campo de aplicación habitual de los tratamientos criogénicos, estos tienen un notable potencial, aun escasamente explotado para mejorar el rendimiento de los materiales en otros ámbitos. Un ejemplo es el mundo de la competición automovilística

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donde la durabilidad de los materiales es una preocupación constante y cuestiones como el rozamiento, el desgaste, la fatiga o la estabilidad dimensional son críticos. Elementos como engranajes, transmisiones, cigüeñales, bielas, pistones, bloques, discos de freno, muelles, etc. aumentan notablemente su rendimiento y su fiabilidad cuando se tratan criogénicamente. Por ello, el uso de este tipo de procesos ha llegado a ser muy común en el mundo de la competición del motor, especialmente en Norteamérica.

Un enfoque diferente Para que un acero de herramienta alcance las propiedades mecánicas que se le suponen (dureza, resistencia, tenacidad, etc.) es preciso someterle a un tratamiento térmico de bonificado que, en general, consta de las siguientes fases: • Austenización: calentamiento para conseguir una estructura totalmente austenítica en el material. • Temple: enfriamiento rápido para conseguir una estructura martensítica (transformación de austenita en martensita). • Revenido: calentamiento que permite transformar austenita residual, acondicionar la martensita formada en el temple y ajustar las características finales de acero. Los parámetros de proceso (temperaturas, tiempos, gradientes térmicos…) dependen del grado de acero en cuestión y de las propiedades finales buscadas en el mismo. El número de revenidos también varía y, normalmente, suele estar comprendido entre uno y cuatro. El objeto de los tratamientos de bonificado es conseguir estructuras formadas por martensita, ya que esta es la fase más dura y resistente del acero. Pero lo habitual es que en el temple no se consiga una transformación martensítica completa. El acero queda con un porcentaje más o menos importante de austenita sin transformar, lo cual penaliza sus prestaciones. Entre otras cosas el revenido consigue que parte de esa austenita retenida que ha quedado tras el temple se transforme en martensita. Por eso se utilizan revenidos múltiples para los aceros en los que se buscan estructuras con la mínima cantidad posible de austenita. Un ejemplo son los aceros rápidos a los que se les suelen aplicar tres e, incluso, cuatro revenidos. A menudo, los tratamientos criogénicos se consideran como un proceso independiente de los tratamientos térmicos y, sin embargo, parece razonable analizarlos como una parte integrante de los mismos. Cuando un usuario de herramientas desea usar tratamientos criogénicos en ellas, lo más frecuente es que disponga de herramientas totalmente terminadas, es decir, que previamente habrán sido sometidas a un tratamiento térmico. Sin embargo, cuando es el fabricante quien se lo plantea, generalmente dispondrá de más alternativas y podrá elegir el punto del proceso de fabricación más adecuado para la aplicación del tratamiento criogénico. Una alternativa bastante evidente es la aplicación del tratamiento criogénico entre el temple y los revenidos.

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Tratamiento criogénico posterior al tratamiento térmico convencional.

de flexión en el que la carga se aplica en el punto medio de unas probetas cilíndricas apoyadas en dos puntos. Este ensayo proporciona unas curvas que relacionan la carga aplicada y la deformación (flecha) de la probeta.

Tratamiento criogénico integrado entre el temple y los revenidos.

Anteriormente se ha mencionado la capacidad de los tratamientos criogénicos para transformar austenita en martensita. De hecho, la aplicación de un ciclo criogénico tras el temple consigue disminuir drásticamente el porcentaje de austenita retenida. Si se da esta circunstancia, parece razonable cuestionarse la necesidad de realizar revenidos múltiples. Llevando este razonamiento al extremo, para los aceros rápidos podría plantearse un tratamiento térmico simplificado consistente en el temple, un ciclo criogénico y un revenido.

Ruta de tratamiento simplificada con ciclo criogénico integrado (Q+C+T).

Esquema del ensayo de flexión.

En estos ensayos se controla tanto la carga máxima Rm (en el momento de rotura), como la carga a la que se empezaba a producir la deformación plástica Rp. Los resultados realizados con probetas de M35 tratadas siguiendo cada una de las rutas anteriormente descritas, se resumen en el siguiente gráfico. Se pudo observar que la carga máxima disminuye ligeramente en los materiales tratados siguiendo las rutas que incluyen un tratamiento criogénico. Pero, en el caso de la ruta simplificada (Q+C+T), simultáneamente se produjo un aumento significativo del límite elástico:

Sin entrar aún a considerar el nivel de prestaciones que se puedan llegar a obtener en el material siguiendo esta ruta de tratamiento, su implantación permitiría ahorrar en inversión y en costes de proceso, aparte de la evidente reducción en tiempo. Para comenzar a evaluar el grado de viabilidad de este planteamiento en la práctica, en IK4-Azterlan se realizaron una serie de ensayos comparativos entre la ruta de tratamiento térmico convencional para acero rápido M35, consistente en temple más cuatro revenidos (Q+4T), y algunas rutas de tratamiento alternativas que incluían ciclos criogénicos. En concreto se ha analizó el tratamiento convencional seguido de un tratamiento criogénico y un revenido (Q+4T+C+T), el tratamiento simplificado (Q+C+T) y el mismo tratamiento simplificado incorporando un ciclo de revenido antes del criogénico (Q+T+C+T). Dado que los ensayos de tracción convencionales no son adecuados para este tipo de materiales, se utilizó un ensayo

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Por otra parte, se analizaron las durezas obtenidas en el material tratado siguiendo las rutas descritas y se pudo comprobar que la ruta de tratamiento simplificada (Q+C+T) es también la que proporciona una dureza más elevada:

das siguiendo la ruta de proceso Q+C+T habrían sido, probablemente, aún más favorables. A falta de un análisis más detallado, estos resultados parecen indicar que, al menos para el acero M35, la ruta de tratamiento simplificada Q+C+T tiene potencial para ser una alternativa real y ventajosa a las rutas de tratamiento térmico convencionales (temple más tres o cuatro revenidos).

Conclusiones

No obstante, es preciso tener en cuenta que en estos análisis no se tuvo en cuenta un fenómeno importante. Tal y como se ha podido comprobar en algunos estudios recientes, las curvas de revenido se ven alteradas cuando se aplica un tratamiento criogénico previo. La correcta selección de la temperatura de revenido tiene una importancia crucial para conseguir la dureza deseada y, en el caso de que se haya realizado un ciclo criogénico previamente, la dureza máxima se consigue con una temperatura inferior a la estándar (en el caso del M35, la diferencia es de unos 20 °C). Esto quiere decir que, si se hubiera ajustado adecuadamente esta temperatura, los resultados que se habrían obtenido en los ensayos anteriores para las muestras trata-

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A lo largo de las últimas décadas, el tratamiento criogénico de materiales ha demostrado, tanto empíricamente como de forma experimental, su notable potencial para alterar las características de una gran variedad de materiales. Las aplicaciones son innumerables y pueden encontrarse en prácticamente cualquier ámbito industrial. En el caso de los aceros se buscan nuevos enfoques para la aplicación de este tipo de procesos de manera que, aparte de mejorar las prestaciones de los productos, se pueda dar lugar al desarrollo de procesos de tratamiento térmico más eficientes. IK4-Azterlan es un centro de investigación metalúrgica con una dilatada experiencia en el ámbito del tratamiento criogénico de materiales por lo que está en perfectas condiciones para asesorar a las empresas interesadas en el tema. Aparte de investigar en éste ámbito, dispone de la mayor instalación europea de proceso multietapa y cuenta con la capacidad necesaria para desarrollar nuevas aplicaciones de la tecnología, así como para diseñar y fabricar instalaciones de tratamiento criogénico. Es preciso aclarar que los tratamientos criogénicos no son, en absoluto, procesos experimentales sino una tecnología de uso industrial, perfectamente válida para tratar grandes cantidades de material. A pesar de su todavía escasa implantación son, probablemente, la manera más sencilla, fiable y económica de mejorar las prestaciones de los materiales. Por último, una mención al aspecto medioambiental ya que, aparte de la evidente reducción de consumo de materiales que se puede conseguir usando esta tecnología, los tratamientos criogénicos son, en sí mismos, procesos totalmente ecológicos que no generan ningún tipo de residuo. /

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TECNOLOGÍAS ECOLÓGICAS DE MECANIZADO: MECANIZADO EN SECO Y BIOMECANIZADO E S T Í B A L I Z DÍAZ-TENA; ADRIÁN RODRÍGUEZ-EZQUERRO; LUIS NOR B E R T O L Ó P E Z D E LACALLE MARCAIDE; LUIS GURTUBAY BUSTINDUY; Y A N A E L ÍAS SÁENZ. UNIVERSIDAD DEL PAÍS VASCO (UPV/EHU)

Mejorar los procesos actuales es siempre un vector de investigación en tecnologías de fabricación. En el caso de la industria de componentes de cobre existe una tendencia a eliminar los fluidos de corte de base mineral, siendo sustituidos por pulverización de aceites vegetales, por el uso del CO2 como refrigerante o incluso llegando hasta a mecanizar en seco. Pero también se trabaja en nuevas líneas como el mecanizado con bacterias, dado que existen cepas capaces de introducir en su metabolismo reacciones que implican remoción de cobre, pudiendo decir por lo tanto que las bacterias ‘mecanizan’.

Reducción de taladrinas Para que una empresa se mantenga en el mercado de la tecnología debe centrar sus objetivos en mejorar la calidad del componente que ofrece al cliente y guiar el proceso hacia un proceso óptimo. Cumplir con las expectativas en cuanto a precisión, tolerancia y acabado superficial que un cliente desea con el menor gasto son las claves para el éxito. Por otro lado, un tema a la orden del día es la contaminación ambiental. Impulsadas por el afán de reducir el impacto ambiental generado mediante el ecodiseño, el número de empresas que se suman al cuidado del planeta Tierra va en aumento. El ecodiseño implica la obligación de incorporar e integrar criterios específicos medioambientales en todo el ciclo de vida de un componente: producción, distribución, utilización, reciclaje y tratamiento final. En el ámbito de fabricación este hecho se relaciona con el denominado ‘Mecanizado Ecológico’ (‘Green Machining’). Debido a esta idea, las empresas se ven obligadas a apostar por nuevos procesos de mecanizado o por la mejora de procesos ya existentes para cumplir con la normativa medioambiental y mantenerse a la vanguardia en la innovación tecnológica. Esta conciencia medioambiental ha perjudicado seriamente a la industria de la ‘taladrina’ ya que cada vez son más los procesos que omiten el uso de tal refrigerante. Algunas empresas minimizan este impacto introduciendo pulverización de aceite biodegradable, en lo que se denomina MQL (Minimum quantity of Lubricant) y otras incorporan sistemas nuevos como el mecanizado criogénico o el mecanizado en seco. El mecanizar en seco trae ventajas no sólo favorables para el medio ambiente, sino que es beneficioso también para el propio trabajador, pues crea una atmósfera de trabajo limpia, contribuyendo a la satisfacción del mismo. Sin embargo, este proceso presenta limitaciones en cuanto a las soluciones obtenidas dependiendo del material, herramienta de corte y proceso de corte empleado. / 19

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En el Departamento de Ingeniería Mecánica de la UPV/EHU se está trabajando en el estudio de técnicas ecológicas de mecanizado sobre un material de alta pureza como es el cobre libre de oxígeno (OFC). Siendo un material ampliamente utilizado en instalaciones científicas y equipamiento médico, se caracteriza por sus altos requerimientos de calidad y precisión. Fabricarlo en condiciones óptimas y sin afectación alguna se ha convertido en un reto para el equipo de investigación del citado departamento, suscitando a su vez el interés de varias empresas.

Del estudio llevado a cabo se ha concluido que existe la posibilidad de mecanizar el cobre sin lubricación alguna, mediante herramientas frontales de metal duro

Con el objetivo de definir un proceso de fresado de OFC con herramientas óptimas y técnicas de lubricación más eficientes que garanticen la calidad del componente, se ha determinado un plan de estudio desde tres puntos de vista: opciones de lubricación, posibles herramientas de corte y optimización del proceso. Primero se ha trabajado bajo diferentes condiciones de corte con diversos tipos de lubricación: mediante taladrina, MQL, Cold Gun y seco. Estudiando la rugosidad y dureza de la pieza en cada caso se ha determinado bajo qué condiciones de corte se consiguen buenos acabados finales en cada tipo de lubricación. A su vez, se han llevado a cabo pruebas de desgaste con herramientas de acero rápido y metal duro, llevando ambas hasta un valor de desgaste correspondiente al criterio fin de vida determinado según norma. Determinado el tipo de lubricación más ecológico y la herramienta que mejor resistencia al desgaste presenta, se ha dado paso a la optimización del proceso, respetando los parámetros de corte máximos que

el fabricante del centro de mecanizado empleado aconseja. Del estudio llevado a cabo se ha concluido que existe la posibilidad de mecanizar el cobre sin lubricación alguna, mediante herramientas frontales de metal duro y alcanzando velocidades hasta 24.000 rpm y avances de 0,15 mm/diente, obteniendo acabados finales precisos (ver figura 1). Mencionar que la elevada velocidad ha impedido la adhesión del cobre sobre la herramienta.

¿Qué trabajen las bacterias? Paralelamente a este estudio, se está investigado sobre el mecanizado asistido mediante bacterias, comúnmente denominado: biomecanizado. El emplear como herramienta para la eliminación de metal microorganismos, hace que el proceso no afecte a la integridad del material, siendo a su vez totalmente ecológico y de bajo coste, pues no requiere

Figura 1. Izq.) Superficie de OFC mecanizada a 24.000 rpm y 0,15 mm/diente. Dcha.) Ampliación de la zona mecanizada (10x).

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Figura 2. Probeta de OFC sumergida en el Medio 9K.

Los ensayos han permitido constatar que, al contrario de lo previsto en la teoría, en el proceso de biomecanizado las tasas de arranque no se mantienen constantes y la calidad superficial empeora una vez expuesta la pieza a los microorganismos Figura 3. Topografía de una superficie tras ser biomecanizada.

de instalación específica alguna. Todo esto hace que el biomecanizado pueda llegar a ser un proceso de alto valor si se estudia en profundidad. De manera resumida, el biomecanizado se podría explicar cómo la eliminación de material mediante dos reacciones químicas encadenadas: las bacterias en su proceso metabólico convierten la especie química Fe2+ en Fe3+ y el Fe3+ reacciona con el cobre puro (Cu0), convirtiéndolo en Cu2+. La reacción entre el hierro y el cobre es la que hace que se elimine material de la pieza, mientras que las bacterias hacen la continua conversión del Fe2+ al Fe3+ para que tal reacción sea posible. El proceso resulta ser pues un proceso cíclico. Mencionar, que para que el biomecanizado tenga lugar, es necesario sumergir la pieza en el denominado Medio 9K (ver figura 2), disolución preparada a base de sales férricas para poder asegurar la conservación de las bacterias. Junto con el Departamento de Ingeniería Química y del Medio Ambiente de la UPV/EHU el Grupo de Fabricación de Alto Rendimiento del Departamento de Ingeniería Mecánica trabaja en la investigación de este proceso emergente sobre piezas de OFC. Con objeto de tener un primer acercamiento al tema de estudio, se han realizado una serie de ensayos en un medio bacteriano natural activo (Río Tinto, Huelva) y en condiciones de laboratorio, los segundos realizados sobre disoluciones férricas sin bacterias. De esta manera se ha llegado a entender la reacción química entre el hierro y cobre y por consiguiente la parte del proceso correspondiente a la eliminación de material. Así mismo, se ha determinado la influencia de algunos factores sobre el proceso, como la temperatura y la concentración del hierro entre otros. Tras esta primera etapa, se ha dado paso al estudio del propio proceso de biomecanizado, preparando un cultivo de bacterias extremófilas de la familia Acidithiobacillus Ferrooxidans. Tanto en las fases previas como en los ensayos de biomecanizado, han sido objeto de estudio factores cómo: tasas de remoción de metal, concentración del hierro en la disolución, evolución del pH de la disolución y calidad superficial tras el proceso. Mediante estos ensayos se ha podido constatar que el proceso de biomecanizado es más complejo de lo que se esperaba en un principio. Al contrario de lo que se preveía en la teoría las tasas de arranque no se mantienen constantes y la calidad superficial empeora una vez expuesta la pieza a los microorganismos (ver figura 3). La investigación sobre estas técnicas emergentes de mecanizado ecológico sigue siendo clave para este grupo de investigación y se vaticina que en un futuro próximo los resultados obtenidos serán de importancia. De esta forma nos sumamos a la idea de aprovecharse de la naturaleza en nuestro beneficio, en este caso la bacteria trabaja en nuestro provecho. Otros ejemplos son aquel que respondía a la pregunta “¿quién es el mayor consumidor de acero del mundo?, respondiendo: “evidentemente la corrosión”. Pues en esa línea estamos, en qué trabajen las bacterias. / / 21

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ALTERNATIVAS AL MECANIZADO CON TALADRINA O C TAV I O PEREIRA NETO; ANA ISABEL FERNÁNDEZ ABIA; Y J O A Q U Í N BARREIRO GARCÍA. UNIVERSIDAD DE LEÓN, Á R E A D E INGENIERÍA DE LOS PROCESOS DE FABRICACIÓN

La creciente preocupación por el medioambiente a nivel mundial es una realidad. Por ello los gobiernos de los países desarrollados cada vez son más estrictos con la normativa medioambiental (en España RD 259/1998 del 29 de septiembre [1]) llevando al sector industrial a buscar técnicas de eficiencia energética, el uso sostenible de los recursos naturales y reducción de los desechos derivados de la fabricación de productos. Además, dada la alta competitividad existente es necesario, además de ser ecológico, ser económicamente viable.

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or estas razones en los últimos años en el mundo del mecanizado se intenta caminar hacia lo que se denomina mecanizado ecológico. Estos pasos van en la dirección de disminuir el uso de aceites minerales y sus emulsiones como fluidos de corte en el mecanizado ya que el coste de dichos fluidos puede ser hasta el 17% del coste total de fabricación [2] y el uso de este tipo de aceites en los operarios puede causar problemas respiratorios como asma, neumonía hipersensible, pérdida de función pulmonar u otras enfermedades como la irritación, acné o cáncer de piel a largo plazo [3]. La cantidad consumida actualmente por la Unión Europea asciende a 320.000 toneladas/año [4]. Además, el coste de tratamiento de estos residuos en la Unión Europea y Estados Unidos ronda entre 2 y 4 veces el precio de compra del aceite y desde un punto de vista medioambiental está demostrado que un 30% se pierden por fugas en los circuitos, mediante partículas adheridas a la máquina en forma de suciedad o en la limpieza de las piezas [5], por lo que en muchos de los casos se acaba contaminando el agua, suelos o manantiales y, por lo tanto, puede acabar llegando a la cadena alimenticia [6]. Para evitar todo esto y ser eficiente tanto económicamente como medioambientalmente, en los últimos años ha habido avances en técnicas como el mecanizado en seco y el mecanizado criogénico, en los cuales se suprime cualquier uso de aceite o emulsión consiguiendo resultados aceptables en muchos de los ensayos realizados. La problemática al utilizar estas técnicas surge al intentar mecanizar materiales de difícil maquinabilidad a alta velocidad como pueden ser las superaleaciones (titanio, níquel, aceros inoxidables). Estas aleaciones, a pesar de sus buenas propiedades mecánicas, generalmente tienen una baja conductividad térmica,

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alta resistencia y una alta capacidad calorífica que se traducen en unas fuerzas de corte excesivas, altas temperaturas de corte, un desgaste excesivo de las herramientas e incluso mala calidad superficial. Por ello, una técnica intermedia es lo que se conoce como MQL (mínima cantidad de lubricación) con la que se combinan algunos de los beneficios del mecanizado en seco junto con algunas de las ventajas del mecanizado con fluidos de corte, avanzando así hacia una fabricación sostenible.

Los métodos de mezclado del aire y el aceite se pueden realizar de dos formas. En la primera, conocida como MQL de un canal, el aerosol es formado en una cámara de mezclado fuera de la boquilla y posteriormente transportado a la zona de corte por una sola vía (figura 2b). En cambio, en el MQL de dos canales, el aceite y el aire van por dos conductos separados y se mezclan formando el aerosol dentro de la boquilla (figura 2a). La principal ventaja de utilizar el MQL de dos canales frente al de uno es la reducción de la neblina creada en la zona de corte al dirigir el aerosol hacia ella [7].

1. El mecanizado con MQL El mecanizado con MQL, también conocido como ‘near dry machining’, es una técnica de refrigeración en la que se combina el poder refrigerante del aire con la acción lubricante del aceite [7]. Para ello se utiliza como fluido de corte una mezcla de aire comprimido con la cantidad estrictamente necesaria de aceite en forma de gotas, produciendo un aerosol que es pulverizado sobre la zona de corte. El caudal de aceite utilizado suele estar entre 10 y 100 ml/h, es decir, se utiliza hasta 4.200 veces menos aceite que si se mecanizase con taladrina. En cuanto al aceite, las presiones utilizadas normalmente oscilan entre 0,4 y 0,8 MPa, aunque hay casos en los que se ha llegado a utilizar 10 MPa [8]. Las principales ventajas del MQL frente a otras técnicas de refrigeración son [5] [9] [10] [11] [12]: • Drástica disminución del uso de fluidos de corte. • Reducción de costes en comparación al uso de taladrina. • Aumento de la higiene industrial. • Oportunidad de utilizar fluidos biodegradables como pueden ser los aceites vegetales. • Mejora del proceso de fabricación en comparación con el mecanizado en seco. • Una estabilidad térmica avanzada. • Mejor lubricación que con la taladrina. • Las virutas salen completamente limpias pudiendo ser recicladas directamente. • El ajuste de la mezcla aire/aceite es fácil de controlar. Los principales componentes para montar un sistema MQL son un compresor de aire, un depósito para el aceite, un sistema de control de caudal, tubos y las boquillas para pulverizar la mezcla [13]. Este sistema puede ser utilizado de forma externa, del mismo modo que se aplica la taladrina, o utilizarlo de forma interna donde el aerosol pasa por dentro de la herramienta (figura 1). La elección de un sistema u otro dependen principalmente de la operación a realizar aunque hay otros factores a tener en cuenta como el mantenimiento, el tipo de herramientas de las que se dispone o la facilidad de control del caudal [14].

Figura 2. Métodos de mezclado (a) 2 canales, (b) 1 canal [14].

Figura 1. Sistemas MQL (a) Interno [15], (b) Externo [16].

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La efectividad del MQL principalmente depende de la capacidad que tiene el aerosol para llegar a la zona de interacción entre la pieza y la herramienta, con lo que un parámetro importante a tener en cuenta es la dirección del aerosol. Al utilizar MQL externo, en torneado las posibilidades de colocación de la boquilla son dos, dirigiendo el aerosol hacia la cara de desprendimiento o hacia la cara de incidencia de la herramienta (figura 3). Figura 3. Posiciones de la boquilla en el torno [7]. (a) Superficie de desprendimiento. (b) Superficie de incidencia.

Figura 4. Posiciones de la boquilla en el fresado [1].

En cambio, si se utiliza MQL interno, hay ensayos realizados en torneado en los que se demuestra que colocando un adaptador a la salida del portaherramientas comercial, para que el aerosol salga de forma oblicua, el uso de aceite puede disminuir hasta 0,5 ml/h con la misma efectividad que si utilizasen 15 ml/h con la salida comercial (figura 5) [8].

Figura 5. Salidas del MQL interno en herramienta de torneado. (a) Salida comercial. (b) Salida oblicua [8].

En la fresadora, el aerosol viaja por dentro del husillo hasta que sale por el centro de la fresa hacia la zona de corte; concretamente en el fresado de alta velocidad, dadas las velocidades angulares que se manejan, las gotas de aceite del aerosol corren el riesgo de ser separadas de la mezcla debido a las fuerzas centrífugas generadas en su interior quedando adheridas en las paredes del tubo, lo que implica que el volumen de aceite enviado hacia la zona de corte disminuye, reduciéndose así la vida de herramienta. Para ello lo recomendable es colocar rodamientos entre el tubo interior por el que viaja el aerosol y el husillo, de esta manera el tubo permanecerá inmóvil y el aerosol no correrá ningún peligro de sufrir un centrifugado antes de salir por la fresa (figura 6) [17]. Los estudios realizados en este sentido mostraron que para que el aerosol penetre de forma eficiente en la zona de interacción entre la pieza y la herramienta, la boquilla ha de ser dirigida hacia la superficie de incidencia. En cambio, si ésta es dirigida hacia la cara de desprendimiento los resultados obtenidos son muy similares a los que se obtienen con el mecanizado en seco, lo que indica que el aerosol no llega a alcanzar la zona de interacción [7]. En el caso del fresado, también las posibilidades son dos, colocarla a 45º ó 135º respecto a la dirección de avance (figura 4). Los ensayos realizados demostraron que a 45º la vida de la herramienta se ve disminuida frente a los 135º debido a que las turbulencias originadas en la proximidad de la herramienta envían el aceite fuera de la zona de corte, no consiguiendo la acción simultánea de la lubricación y refrigeración y además la viruta eliminada interfiere entre el aerosol y la herramienta [1]. 24 /

Figura 6. Esquema del conducto interno del husillo por el que circula el aerosol del MQL interno [17].

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2. Innovaciones en los sistemas MQL Principalmente las líneas de investigación en cuanto a innovaciones en el propio sistema MQL siguen tres líneas que se describen a continuación: • Variación de la temperatura del aerosol. • Modificación del aire como gas portador. • Modificación del tipo de fluido de corte utilizado.

2.1. Variación de la temperatura del aerosol Para variar la temperatura del aerosol lo que se hace normalmente es disminuir la temperatura del aire. Las formas de conseguirlo son varias, entre las que cabe destacar dos. La primera es el método ‘COD’ con el cual gracias a una modificación hecha en el portaherramientas se consigue una expansión adiabática en la salida de la boquilla consiguiendo temperaturas de 0 °C (figura 7) [18].

Figura 7. Modificación de portaherramientas para sistema ‘COD’ [18].

La otra forma de conseguir enfriar el aire utilizado en el MQL es con el denominado ‘CAMQL’ en el cual se instala en el sistema convencional una máquina frigorífica compuesta por un sistema refrigerador de vapor-compresión y un sistema de refrigeración semiconductor. El primer sistema se diseña con el fin de reducir la temperatura del agua que será utilizada posteriormente para absorber el calor de las termopilas del sistema semiconductor. Este último está compuesto por dichas termopilas a las cuales se las suministra corriente continua consiguiendo que su energía calorífica sea transferida de un lado a otro debido al efecto Peltier. El agua enfriada circula por la parte superior e inferior de los absorbedores de calor llevándose el calor del lado caliente de la termopila. La pared del enfriador al estar en contacto con la parte fría de la termopila se mantiene a una temperatura extremadamente baja. El aire comprimido, después de pasar a través del intercambiador de calor entra en el enfriador donde se enfría intercambiando el calor con las paredes del enfriador. Finalmente, el aire ya enfriado sale hacia la boquilla donde será mezclado con el aceite para formar el aerosol. La temperatura del aire se puede controlar variando la corriente que pasa por las termopilas y/o modificando la presión del aire (figura 8) [19].

Figura 8. Esquema de máquina frigorífica para ‘CAMQL’ (1) Depósito de agua. (2) Sistema refrigerador vapor-compresión. (3) Bomba de agua. (4) Compresor. (5) Filtro. (6) Secador. (7) Intercambiador de calor. (8) Caja de control. (9) Sistema refrigerador semiconductor. (10) Termopila. (11) Absorbedor de calor. (12) Enfriador. (13) Caudalímetro. (14) Manómetro. (15) boquilla. [19].

2.2. Modificación del aire como gas portador Como sustitutos del aire en los sistemas MQL habitualmente se utiliza nitrógeno o agua. Con los demás gases, a la hora de sustituirlos por el aire hay que tener muy en cuenta el material a mecanizar debido a que un gas puede ser beneficioso para el mecanizado de un material pero contraproducente para otro, bien por su conductividad térmica o por su ‘capacidad lubricante’. El ejemplo más claro ocurre con el oxígeno: en ensayos con aceros S45 reduce las fuerzas de corte además de lograr un buen acabado superficial [20] pero en cambio al utilizarlo en el mecanizado de aluminio hace que algunas de las fuerzas sean mayores [21]. Cuando el aire es sustituido por nitrógeno, los mejores resultados se obtienen enfriándolo a -10°C, llegando, en el caso del titanio, a aumentar la vida de herramienta 1,93 veces frente al MQL con nitrógeno sin enfriar [22]. La utilización del agua como portador del aceite se basa principalmente en la diferencia de densidades que existe entre el aceite y el agua, ya que se forman gotas de agua recubiertas externamente con una capa de aceite. La forma de obtener este tipo de gotas se logra mediante dos métodos. El primero es conocido como método ‘OoW’ y las gotas se forman gracias a una boquilla especial en la cual se realiza la mezcla por efecto Venturi (figura 9) [23].

Figura 9. Boquilla del sistema ‘OoW’. [23].

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/ MECANIZADO ECO

El segundo método, conocido como ‘MWD’ se diferencia del anterior en que el aerosol en vez de formarse en la boquilla primero se forman las gotas de agua con aceite en un depósito y posteriormente son conducidas a la zona de corte por el método de MQL de un canal. La forma en que estas gotas se forman es por condensación y para ello primero se vaporiza el agua en un contenedor a 243 kPa. Seguidamente, este vapor presurizado es inyectado dentro de otro depósito a presión atmosférica lleno de aceite y debido al cambio de presión, el vapor saturado a medida que se va dispersando por el aceite se va condensando formando pequeñas gotas de aceite (figura 10) [21].

uso de otros aceites vegetales es el realizado con aceite de palma en el que se obtienen menores pares de fuerza en la herramienta e incluso un ligero desgaste menor del flanco de ésta que si se utilizase el MQL con aceite sintético [26].

Figura 10. Sistema ‘MWD’ [21].

2.3. Modificación del fluido de corte Los estudios realizados en cuanto a la modificación del fluido de corte en los sistemas MQL a día de hoy son escasos pero de muy diversa índole. Por un lado están aquellos en los que se sigue trabajando con aceites minerales y sintéticos, que en un tiempo no muy lejano quedarán obsoletos debido principalmente al impacto ambiental que producen dichos aceites. Y por otro lado está la tendencia actual por la que se debe seguir investigando, que son aquellos ensayos en los que se estudia la viabilidad de la utilización de aceites biodegradables. Del primer caso cabe destacar, desde el punto de vista de intentar reproducir lo mismo con aceites biodegradables, un estudio en el que se logra un ‘aceite multifunción’ con el que se consigue, además de mecanizar con el sistema MQL, lubricar los rodamientos del husillo, las guías de deslizamiento de la mesa y el sistema hidráulico [24]. En relación al uso de aceites biodegradables, generalmente en los sistemas MQL se suelen utilizar aceite de colza o canola [4] [23] [25]. Un estudio a destacar en el 26 /

3. Conclusión En este artículo se ha hecho un breve repaso sobre los sistemas MQL y sus innovaciones más importantes. Los sistemas de refrigeración en máquina-herramienta basados en MQL son el camino adecuado para desarrollar una alternativa al mecanizado con taladrina, conseguir la erradicación del uso de aceites derivados del petróleo y conseguir prácticamente un mecanizado con nulo impacto ambiental. De hecho muchas empresas del sector, en la actualidad ya utilizan sistemas MQL en sus líneas de producción y manifiestan que los costes ahorrados no sólo son debidos a la eliminación de la taladrina, su mantenimiento y posterior gestión de residuos, sino que también repercute en un aumento de la vida de la herramienta. Esto supone mayores beneficios económicos además del ahorro del 17% que se obtiene prescindiendo de las emulsiones de aceite. /

Referencias Las referencias de este artículo pueden consultarse en el siguiente enlace: www.interempresas.net/A108938

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/ CNC

MECANIZADO COMBINADO SEGURO W O L F G A NG KLINGAUF. FANUC

Las máquinas-herramienta actuales se caracterizan por ofrecer la posibilidad de utilizar múltiples ejes y combinar diversas tecnologías de mecanizado. Proporcionan una alta productividad, especialmente cuando el procesamiento es controlado a través de varios canales que operan paralelamente. Para ello se requiere, no obstante, un CNC de altas prestaciones adecuado, que sea capaz de garantizar que las complejas operaciones se lleven a cabo sin riesgo de colisiones.

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as máquinas-herramienta híbridas, que aúnan en una máquina el torneado, fresado u otras técnicas de mecanizado, exigen del CNC que utilizan requisitos especialmente elevados. Para esta tecnología combinada, que emplea múltiples ejes y canales y la más avanzada microelectrónica, como un procesador de ultra alta velocidad y un bus interno de alta velocidad, son idóneos los sistemas de CNC de las Series 30i y 31i Modelo B, ya que, además de satisfacer todos los requisitos primordiales, se destacan por su rápido procesamiento de datos, por sus numerosas funciones de software y por su capacidad de garantizar un mecanizado sin colisiones. / 27

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/CNC

A la hora de elegir el CNC que controlará su centro de mecanizado diseñado para torneado y fresado, el usuario puede optar entre dos planteamientos básicamente diferentes: Por un lado, la solución más simple, en la que ambos procesos de mecanizado son controlados a través de un canal. En este caso, sólo es necesario un programa de pieza, que se procesa de forma secuencial. Esta opción no permite el procesamiento simultáneo del torneado y fresado, con lo cual la programación del mecanizado es relativamente más sencilla, la supervisión más fácil y los movimientos de los ejes están libres de sufrir colisiones. Por otro lado, en el segundo planteamiento, el torneado y el fresado son controlados a través de dos canales independientes. Esta es, sin lugar a dudas, la variante más productiva, ya que varias herramientas pueden actuar simultáneamente, con lo que el tiempo de amarre se reduce consecuentemente. Sin embargo, el procesamiento en el que el torneado y el fresado se realizan paralelamente en una máquina es extraordinariamente complejo y, por tanto difícil de supervisar visualmente para el operador. El resultado es un mayor riesgo de colisión, que precisa de soluciones de software especiales para su prevención.

riencia se observa la mayoría de las colisiones, queda asimismo excluido de la supervisión offline, ya que el comportamiento del preparador de la máquina no es virtualmente predecible. Estas lagunas de seguridad se evitan mediante una prevención contra colisiones integrada, como la que ofrece la Comprobación de Interferencias en 3D. Dicho sistema utiliza elementos geométricos envolventes (planos, paralelepípedos y cilindros), que se definen en todas las áreas con riesgo de colisión, si es necesario a una distancia hasta tan sólo 1 µm del contorno real. El CNC tiene en cuenta esta información espacial, junto con los datos actuales de la máquina, en el cálculo de los movimientos de los ejes. Esto significa que la CPU principal calcula en intervalos muy rápidos, y simultáneamente a la interpolación de los ejes, todos los objetos dentro del modelo de interferencias. Si existe la posibilidad de una colisión, la máquina se para, ya que el último paso de la interpolación antes de entrar en una figura geométrica determinada no se realiza.

Un ejemplo perfecto: torneado y fresado al mismo nivel Máxima protección contra colisiones mediante una función integrada Uno de los principales objetivos de Fanuc es ayudar al usuario a optimizar la productividad en sus procesos de mecanizado, lo cual incluye proporcionarle la máxima protección contra colisiones. Esto es posible gracias a la función auxiliar Comprobación de Interferencias en 3D, que se encuentra integrada en el núcleo del CNC de las Series 30i/31i/32i y previene prácticamente al 100% el riesgo de colisiones. Cuando nos referimos a sistemas de prevención de colisiones merece especial atención la cualidad de ‘integrado’, que distingue la Comprobación de Interferencias en 3D integrada de Fanuc de los enfoques denominados offline o fuera de línea. En los sistemas ‘integrados’, el software opera directamente en el procesador del CNC. La monitorización tiene lugar en tiempo real, teniendo constantemente en cuenta el estado actual de la máquina. Esto permite que la protección contra golpes esté activa en cada uno de los movimientos de la máquina, incluso durante la preparación. Bajo la denominación de sistemas ‘offline’ se encuentran, por el contrario, todas las simulaciones, que se ejecutan en un PC independiente de la máquina herramienta y su control. Aunque de este modo se puede realizar la comprobación de los programas de CN, estas simulaciones sólo ofrecen una protección limitada contra las colisiones, ya que el entorno virtual no se corresponde siempre con la realidad. ¿Qué ocurre, por ejemplo, si se rompe una herramienta y necesita ser sustituida? Para adaptar las simulaciones a la realidad, deben cargarse en el PC los nuevos datos de la herramienta y realizar nuevamente los cálculos correspondientes a la simulación. Lo mismo ocurre en el caso de modificaciones imprevistas en el dispositivo de amarre o en la máquina. El proceso de preparación, en el que por expe28 /

En el nuevo centro de torneado y fresado FZ12MT de Chiron, el CNC de la Serie 31i-B5 de Fanuc puede desplegar toda su potencialidad. El fabricante de máquinas-herramienta de Tuttlingen ha integrado por vez primera una ilimitada funcionalidad de torneado en una máquina fresadora completamente equipada. En este proyecto, los técnicos de desarrollo de Chiron han trabajado en estrecha colaboración con Fanuc, con el fin de facilitar la aplicación y el manejo de las numerosas posibilidades del centro de mecanizado combinado.

En el nuevo centro de torneado-fresado FZ12MT de Chiron, el CNC de la Serie 31i-B5 de Fanuc puede demostrar toda su potencialidad. Imagen: Chiron.

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/ CNC

Las máquinasherramienta combinadas, que aúnan en una máquina el torneado, fresado u otras técnicas de mecanizado, exigen del CNC que utilizan requisitos especialmente elevados. Imagen: Chiron.

Ideal también para el torneado multicanal Las ventajas de la función de Comprobación de Interferencias en 3D pueden también aplicarse a otras máquinas complejas, como los tornos multicanal. Para este tipo de procesamientos, los CNC de gama superior de las Series 30i y 31i Modelo B de Fanuc ofrecen funciones adicionales para elevar la productividad, como las funciones de Control síncrono y Control compuesto. Dichas funciones se encargan de la sincronización de las velocidades de rotación de los cabezales, de forma que se consiga una transferencia fluida y eficaz de la pieza en las aplicaciones multicanal. Gracias a la función de ‘Conmutación del control del cabezal’, aquellas máquinas que puedan realizar tanto el rectificado HSCM, como el torneado, disponen de la posibilidad de conmutar entre el torneado y el mecanizado de ciclos de alta velocidad (HSCM) sin necesidad de parar el cabezal, consiguiendo así reducir los tiempos de procesamiento. A diferencia del procedimiento utilizado hasta ahora, en el que al cambiar del modo cabezal al modo eje era necesario realizar un retorno a la posición de referencia, esta función permite eliminar esta operación, con lo que el tiempo de ciclo se reduce considerablemente.

A diferencia de muchos sistemas de protección contra colisiones offline, que sólo ofrecen una seguridad limitada, la Comprobación de Interferencias en 3D se encuentra directamente integrada en el CNC y previene prácticamente al 100% el riesgo de colisiones. Imagen: Fanuc.

También está disponible la función de ‘Asignación flexible de ejes a canales’, que posibilita una configuración flexible de los ejes gracias al intercambio de ejes entre los canales. Por medio de un simple comando de CN es posible eliminar completamente, asignar nuevamente o intercambiar ejes, sin necesidad de efectuar una nueva sincronización mediante un código M. Esto resulta especialmente ventajoso en los tornos de dos canales, en los que los dos canales comparten un eje C, o en los tornos multicanal, para cambiar la asignación de canales de un eje controlado.

CNC de altas prestaciones para aplicaciones complejas Los sistemas de CNC de las Series 30i/31i/32i Modelo B de FANUC son idóneos para máquinas-herramienta sofisticadas con altas exigencias en tecnología. Convencen por su gran número de ejes y múltiples canales, así como por las notables mejoras en el sistema servo. Así, un procesador servo de alta velocidad eleva la eficacia del accionamiento digital de los ejes. El nuevo bus servo serie de Fanuc (FSSB) es más rápido y aporta una ventaja decisiva: transfiere ahora también datos del cabezal. Esto permite conectar el amplificador servo y el amplificador de cabezal mediante un solo cable de fibra óptica al CNC. La reducción de cableado ahorra tiempo y costes, ya que sustituyendo la transferencia por cable por la transferencia óptica se minimiza considerablemente la incidencia de fallos y averías. Se han logrado mejoras adicionales en el sistema servo con la utilización del nuevo amplificador servo Alpha i, que mediante dispositivos para reducir las pérdidas contribuyen a un ahorro considerable de energía. Otra interesante mejora para las aplicaciones multicanal es la que aporta el Manual Guide i, el software de programación en taller de Fanuc: El usuario puede alternar la pantalla completa de simulación con una pantalla doble, cada una de cuyas partes está dedicada a un canal. Una mayor facilidad de manejo y programación se consigue también gracias a la búsqueda simultánea de texto, que permite una búsqueda simultánea y simplificada de programas en diferentes canales. / / 29

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/ IMPRESIÓN 3D

INVESTIGADORES DE LA UPC-BARCELONA TECH DESARROLLAN UNA IMPRESORA 3D R O G E R U CEDA, DIRECTOR DE OPERACIONES. F UN D A C I Ó CIM

El equipo de RepRapBCN, un proyecto de la Fundació CIM-UPC, acaba de presentar la primera impresora 3D Bajo el nombre de BCN3D y, desarrollada dentro del proyecto

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ctualmente, los principales compradores de la BCN3D están siendo particulares, pequeñas ingenierías y despachos de arquitectura, a pesar de que ya se están dando casos de nuevos modelos de negocio, como imprentas que están apostando por la impresión 3D como antídoto a la bajada del uso de la impresión convencional, o pequeños emprendedores que ven en la impresión 3D una herramienta con un potencial increíble.

RepRap, la impresora 3D está ya disponible y se está exportando a más de 10 países, entre los que destacan Francia, Alemania o Estados Unidos.

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Una máquina CNC que añade material en lugar de sustraerlo Contrariamente a la fabricación por control numérico tradicional, en la que se parte de una pieza de material (cúbica o cilíndrica) y a base de remover material conseguimos la geometría deseada, la impresión en 3D fabrica capa a capa cualquier tipo de pieza a partir de un diseño generado con ordenador. La impresora 3D RepRap usa un principio conocido como FDM, en el que un filamento de plástico se desenrolla desde una bobina hasta una boquilla de extrusión controlada por un motor paso a paso. La boquilla se calienta para fundir el material y la máquina que dispone de tres ejes XYZ va dirigiendo la boquilla según planos de fabricación XY, generalmente entre 0,1 y 0,4 mm de altura. Evidentemente, cuánto menor es la altura de capa, mejor resolución obtendremos y mayor será el tiempo de fabricación. El control de la máquina se realiza mediante Arduino, una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en software y hardware flexibles que se está usando para máquinas de CNC, robots y domótica.

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/ IMPRESIÓN 3D

La impresora 3D RepRap usa un principio conocido como FDM, en el que un filamento de plástico se desenrolla desde una bobina hasta una boquilla de extrusión controlada por un motor paso a paso.

Con respecto a los materiales usados, se ha conseguido trabajar muy bien con distintos plásticos (PLA, ABS, Nylon), materiales cerámicos y metales de bajo punto de fusión, aunque el grado de acabado no es todavía comparable al conseguido por los procesos de conformado más industrialmente usados.

Para este 2013 se prevé desarrollar y montar estas máquinas poniéndolas en manos de un amplio abanico de usuarios para continuar su perfeccionamiento

Contrariamente a la fabricación por control numérico tradicional, la impresión en 3D fabrica capa a capa cualquier tipo de pieza a partir de un diseño generado con ordenador.

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/ IMPRESIÓN 3D

Uno de los principios básicos de este proyecto es conseguir una máquina que pueda fabricarse a sí misma.

Además, se está hablando posibilidades futuras muy lejanas de la impresión 3D como la de fabricar órganos humanos, cosa que tecnológicamente está aún muy lejos. A pesar de ello, esta tecnología está llamada a protagonizar una revolución tecnológica para los usuarios, pues permite que cualquier persona pueda fabricar insitu su producto sin necesidad de realizar grandes inversiones en maquinaria y personal técnico especializado.

Open Source, la fuerza de la comunidad La impresora BCN3D está desarrollada dentro del proyecto RepRap que fue iniciado en febrero del 2004 por Andrian Bowyer en la Universidad de Bath (Reino Unido) y que actualmente cuenta con miles de miembros en todo el mundo. Uno de los principios básicos de este proyecto es conseguir una máquina que pueda fabricarse a sí misma, es por eso que muchas de las piezas de la BCN3D están impresas en 3D en la fábrica que RepRapBCN tiene en sus instalaciones de Barcelona, que actualmente dispone de 16 impresoras 3D funcionando día y noche. El proyecto es totalmente abierto, hecho que provoca que actualmente haya un I+D deslocalizado y con una capacidad 32 /

de desarrollo infinita. Todo esto hace necesario que una de las tareas básicas del equipo de RepRapBCN sea realizar un trabajo de vigilancia tecnológica, incorporando mejoras, modificaciones y nuevos diseños a la máquina.

RepRapBCN, un proyecto universitario que reinvierte todos sus ingresos Uno de los principios básicos del proyecto RepRapBCN es que la mayoría de sus componentes esté cursando una ingeniería en la UPC. En estos momentos, ocho miembros del equipo están en su último año de la carrera, mientras que cuatro de ellos ya poseen una titulación universitaria. De este modo, este joven equipo, siempre con el apoyo de los profesionales de la Fundació CIM, puede poner en práctica todo lo aprendido en los estudios en un ejercicio de profesionalización intensivo. A partir de la venta de realización de cursos de montaje de impresoras 3D, venta de kits o venta de material, el equipo de RepRapBCN obtiene todos los ingresos necesarios para mantener la actividad y poder reinvertir todos los beneficios en el propio proyecto. Este hecho es el que ha facilitado poder disponer de un equipo de 12 personas en tan sólo 3 años de evolución del proyecto. /

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/ FABRICACIÓN ADITIVA

FABRICACIÓN ADITIVA: UN AVANCE MÉDICO EN 3D

I Ñ I G O B E RETERBIDE, RENISHAW IBÉRICA, S.A.U.

En tecnología de fabricación, ocasionalmente aparecen avances con potencial suficiente para transformar la forma de diseñar y construir objetos, permitir la mejora de productos existentes o simplemente poder fabricar algo inimaginable — cosas que la gente ni siquiera sabía que necesitaba, pero sin las cuales ahora no pueden vivir—. La revolución en comunicaciones móviles e informática portátil quizá son las más evientes, pero también hay que tener el cuenta el uso del láser en productos para el hogar como el modesto reproductor de CD.

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ctualmente los fabricantes están explorando las posibilidades y el potencial que ofrece la tecnología comúnmente llamada impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, en la que capas de material son depositadas y fundidas allí donde se requiere utilizando la energía del láser. Se han fabricado prototipos plásticos de esta manera durante años. La diferencia es que ahora la fabricación aditiva se está utilizando para la fabricación de piezas metálicas funcionales, a menudo mejorado las prestaciones de las mismas. Algunas de las ventajas son el mínimo desperdicio de material y la libertad de diseño adicional como la posibilidad de generar geometrías reticulares o formas orgánicas que desafían los procesos convencionales de fabricación. Incluso el lenguaje está cambiando: ‘mecanizado’ se convierte en ‘fabricación sustractiva’, una alternativa al término ‘fabricación aditiva’ empleada por los pioneros de este nuevo camino, como Renishaw, empresa británica dedicada a la fabricación de sistemas industriales de fabricación aditiva con una exportación del 90% de sus productos.

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/FABRICACIÓN ADITIVA

Fabricación aditiva actualmente en uso Renishaw utiliza ya la fabricación aditiva para fabricar rehabilitaciones dentales y actualmente está aportando sus años de experiencia para impulsar la adopción de esta tecnología de fabricación. Usando datos 3D digitales, los sistemas de fusión láser trabajan depositando finas capas de polvo de metal atomizado con gas, para posteriormente fundirlo allí donde sea necesario utilizando un láser guiado de alta potencia focalizado en un diámetro de 70 m. Esta capa de polvo es fundida en la superficie, siguiendo una trayectoria 2D correspondiente a la sección de la pieza, y con la consiguiente deposición de nuevas capas. Los componentes resultantes pueden contar con detalles internos complejos y combinar sólidos con estructuras reticulares. En ortopedia, permite la creación de estructuras y superficies que fomentan la osteointegración y abre la puerta a la producción económica de implantes personalizados para cada paciente, particularmente útiles en la reconstrucción quirúrgica maxilofacial, donde mantener la estructura ósea facial es primordial. También minimiza el

tiempo en el quirófano porque las operaciones pueden planificarse más fácilmente mediante el uso de tecnologías aditivas existentes para recrear la estructura ósea del paciente sobre la que probar el implante, asegurando el ajuste y la funcionalidad antes de la operación.

Adopción a nivel mundial Mientras que la mayoría de sistemas de fabricación aditiva se producen en Europa, Renishaw espera contribuir a y beneficiarse de la creciente adopción de esta tecnología en el resto del mundo. La fabricación aditiva ha atraído recientemente la atención del gobierno de los EE UU, con sustanciales sumas de fondos federales disponibles crear centros regionales de excelencia en la fabricación aditiva bajo la iniciativa de Obama de ‘No podemos esperar’; proyectos similares existen en el resto del mundo. Pero existen barreras a la adopción. La aceptación depende de factores como la capacidad para monitorizar el proceso con normas comparables a las de tecnologías convencionales como el mecanizado. Cada campo de aplicación se enfrenta a una serie de desafíos, desde cuestiones relacionadas con la acreditación y cumplimiento con la normativa, aprobación FDA o CE para implantes y certificación del sistema según la ISO 13485 y otras normas.

La fabricación aditiva ha sido aclamada como una forma de repatriación de los procesos de fabricación en las economías desarrolladas debido a su naturaleza de alta tecnología y al mínimo desperdicio de productos

Mejor uso La fabricación aditiva ha sido aclamada como una forma de repatriación de los procesos de fabricación en las economías desarrolladas debido a su naturaleza de alta tecnología y al mínimo desperdicio de productos, así como a sus potenciales credenciales ecológicas. Una cosa es cierta: la fabricación aditiva no reemplazará los métodos convencionales, los complementará. El factor primordial es que el mejor uso de esta tecnología se logra en la etapa de diseño de componentes y no mediante la aplicación de los diseños convencionales al proceso. La aceptación dependerá de que los diseñadores exploren los límites de los ingenieros de proceso y producción, contando con la confianza en la capacidad de la tecnología para producir piezas compatibles con normas trazables./

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DISEÑE HOY... ...CONSTRUYA MAÑANA

Libere el potencial de la Fabricación Aditiva El sistema de fusión láser de Renishaw es un proceso pionero capaz de producir piezas de metal completamemente densas directamente del CAD 3D, y tiene el poder de liberar el potencial de la fabricación aditiva. Desde insertos de molde con canales de refrigeración adaptados a estructuras ligeras para aplicaciones aeroespaciales y de alta tecnología, la fusión láser ofrece a los diseñadores más libertad, resultando en estructuras y superficies que de otra manera estarían limitadas por los procesos convencionales o los requerimientos de volumen de producción del mecanizado. Además es complementaria a las tecnologías de mecanizado convencional y contribuye directamente a la reducción de plazos de entrega, costes de mecanizado y material de desecho.

• Acorte los plazos de desarrollo – sea el primero en llegar al mercado • Reduzca los desechos y costes – construya sólo lo que necesita • Disfrute del aumento de libertad en el diseño – cree estructuras complejas y características ocultas

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Con el software CAD / CAM Tebis es posible automatizar el proceso 2,5D. Por ejemplo, para los taladros de refrigeración, roscas, cajeras, guías, etc. Las ventajas serán evidentes y se podrán notar ya en la fase de diseño. Al importar la geometría CAD, Tebis analizará y reconocerá automáticamente los elementos a mecanizar, reduciendo la información en papel. La programación NC accede directamente a los elementos a mecanizar, previamente reconocidos. Los errores están excluidos al eliminar el error humano. El uso de las plantillas con el proceso Tebis Automill® ayuda al usuario a poder aprovechar los tipos y estrategias de mecanizados probadas y con unos pocos clics del ratón generar programas de mecanizado optimizados. De su parque de maquinaria, las fresadora funcionarán más tiempo arrancando viruta y el control ya no se utilizará para programar mecanizados. Sea un molde, un troquel o un mecanizado en general, podrá conseguir levar el mecanizado ortogonal de 2,5 con Tebis a nuevos límites. Tebis le optimizará el proceso de mecanizado en 2,5D. Más información www.tebis.com

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