Redefiniendo el corte láser robótizado
El procesamiento de materiales en la industria automotriz, concretamente el corte por láser, ha avanzado mucho en los últimos 30 años. Las exigencias del mercado en cuanto a mayor resistencia, ahorro de peso y menores costos impulsan la necesidad de que los fabricantes utilicen materiales como el acero de alta resistencia y el aluminio. Los aceros estampados en caliente -press hardened steels (PHS)-, comúnmente englobados como aceros de alta resistencia, incluyen muchas marcas comerciales diferentes. El aspecto clave para obtener dureza es calentar el material en la prensa de estampado, dar forma a la pieza y luego templarla (quenching) para lograr el endurecimiento del acero mientras se forma la pieza estampada. En el estampado tradicional de automóviles, una pieza pasa por varias etapas de conformado con troqueles, con un troquel de recorte final para dar al metal la forma deseada. Las piezas PHS son tan duras y casi imposibles de recortar con un troquel, y requieren un proceso de mecanizado para crear la forma correcta. La opción más eficaz y popular para recortar PHS es el corte por láser. Existen dos medios principales de corte por láser: el corte por láser robotizado y el corte por láser CNC.
El corte robotizado ha evolucionado con la mejora del rendimiento del movimiento de los robots gracias a modelos matemáticos precisos del mecanismo del robot y a las mejoras en el rendimiento del servo del controlador y la planificación de la trayectoria. Esto ha permitido que las celdas de trabajo láser robóticas ofrezcan un costo competitivo por pieza intercambiable en comparación con una operación de corte CNC. Esto es especialmente cierto cuando se procesan componentes de automotrices que tienen una forma variada y requieren más de 5 ejes de movimiento para procesar las piezas 3D, en comparación con los CNC tradicionales utilizados para el procesamiento de láminas o placas. Los robots de seis ejes actuales, como el FANUC M-20iB/25, ofrecen la mejor precisión y velocidad robótica, pero no igualan la precisión de un CNC. diseñado específicamente para este fin. Los fabricantes deben considerar las ventajas y desventajas de una precisión ligeramente inferior de un robot, pero con un rendimiento mucho mayor que el de un CNC. Las capacidades de corte por láser robotizado ofrecen una mayor densidad del procesamiento láser y permiten colocar más "cabezales láser" que pueden trabajar simultáneamente en la pieza. Y hay más... Los nuevos avances en el corte robotizado siguen reduciendo la diferencia en cuanto a precisión de trayectoria y velocidad, llevando el rendimiento del robot a niveles comparables con el CNC pero con mayor rendimiento.
La más reciente mejora en el rendimiento del corte láser robotizado proviene de una empresa llamada Shape Process Automation (antes DRS Robotics). Shape colaboró con Laser Mechanism y FANUC America para desarrollar el NEWTON, un cabezal de corte robotizado. NEWTON es un dispositivo de corte de formas de 2 ejes montado en un robot que ofrece una precisión de trayectoria de hasta +/- 0,05 mm en un rango de funcionamiento de 30 mm. El dispositivo también es capaz de alcanzar las velocidades más rápidas de corte de orificios por láser, con 0,3 segundos para características de tamaño común. El robot FANUC M-20iB/25, que de por sí ya cuenta con un desempeño de trayectoria destacado, alcanza un nuevo nivel de rendimiento cuando se combina con NEWTON. Esta capacidad elimina casi por completo la diferencia entre el corte por láser robotizado y el CNC para componentes automotrices 3D.
Los nuevos avances en el corte robotizado siguen reduciendo la diferencia en cuanto a precisión de trayectoria y velocidad, llevando el rendimiento del robot a niveles comparables con el CNC pero con mayor rendimiento.
El diseño NEWTON es un dispositivo con patente en trámite, con balanceo inercial y controlado directamente desde el teach pendant del robot. El funcionamiento es sencillo, con una planificación de movimientos predefinida para formas comunes, como círculos, ranuras, cuadrados, hexágonos y muchas otras en la biblioteca del robot. Para los usuarios, es tan sencillo como mover el cabezal del robot hasta la característica y seleccionar la forma de corte de la biblioteca. Los atributos de cada forma son fáciles de modificar para realizar una programación rápida. Los usuarios de robots se adaptarán fácilmente a NEWTON, ya que la programación es familiar y muy intuitiva. NEWTON puede reducir el tiempo de ciclo en hasta un 70 % con respecto a un robot de corte típico de seis ejes.
La eficiencia operativa es la clave y Newton representa un cambio radical. Ahora, los sistemas de corte láser robotizado funcionan bien en una celda de trabajo o en una disposición lineal. Al revisar el diseño del proceso para cortar componentes PHS, es el fabricante quien decide cuál es el mejor diseño en función del flujo de materiales. Por ejemplo, una celda de trabajo robótica de tipo estación puede imitar el enfoque celular CNC, mientras que una serie de robots en línea ofrece mayores capacidades de rendimiento. El diseño depende de la combinación o variedad de piezas y del volumen de producción requerido. Las celdas de trabajo pueden ofrecer mejores capacidades para el cambio de herramientas y la combinación de piezas, mientras que una línea de producción en serie ofrece un mayor rendimiento gracias a su herramental dedicado, alta densidad de láseres, mayor tiempo efectivo de operación y una productividad general superior. El cabezal de corte NEWTON es un habilitador tanto para las celdas de trabajo como para el procesamiento en línea y tiene muchas ventajas para el procesamiento láser 3D. Un brazo robótico puede procesar una gran variedad de piezas y formas, ya que la construcción del brazo de enlace en serie permite instalar más brazos robóticos trabajando simultáneamente sobre un mismo herramental. Más brazos significan más cabezales de procesamiento láser y una mayor productividad. El diseño CNC es rectilíneo, donde el dispositivo de movimiento consiste en una estructura de puente horizontal con un solo cabezal láser dentro del área de trabajo de la cabina.
Es necesario tener en cuenta el tiempo de ciclo de procesamiento de las piezas al revisar la aplicación de corte por láser. El CNC solo puede tener un cabezal de corte por láser en la pieza a la vez y, si el tiempo total de corte es inferior a 30 segundos, se produce un desbalance para el operador. En otras palabras, no pueden cargar o descargar el material con la suficiente rapidez para un ciclo de menos de 30 segundos. Si se toma el mismo tiempo de ciclo y se duplica la pieza, el costo de las herramientas se duplica y el área de la celda láser también, mientras que el tiempo de procesamiento de la pieza por cabezal sigue siendo el mismo. Algunos de estos problemas pueden resolverse con la carga y descarga robotizada del CNC, pero el número de cabezales de procesamiento por pieza sigue siendo 1:1 y el espacio necesario es mayor. Todo esto se traduce en la necesidad de más cabezales láser por pieza, lo que permite lograr una mejor producción a tiempo (on-time production). Una ventaja adicional de tener menos accesorios o herramentales por tipo de pieza es la mejora de la capacidad del proceso -Process Capability Index (Cpk)-. La proporción del tiempo de ciclo y el número de cabezales por pieza deben estar equilibrados y ajustarse a los requisitos de flujo de material.
NEWTON es un dispositivo de corte de formas de 2 ejes montado en un robot que ofrece una precisión de trayectoria de hasta +/- 0,05 mm en un rango de funcionamiento de 30 mm.
Los ahorros en costos de capital y de espacio se hacen más evidentes cuando una celda de trabajo flexible gestiona el flujo de material mediante un eje tipo mesa giratoria, a menudo denominados intercambiadores. Este tipo de celdas robóticas proporcionan al usuario un tiempo de carga y descarga equilibrado dentro del ciclo de procesamiento láser. Las celdas de trabajo con una sola mesa giratoria ofrecen una mayor flexibilidad, lo que permite el cambio dinámico de accesorios o herramentales para otras piezas del modelo. Las celdas con mesa giratoria de dos lados permiten un funcionamiento continuo, lo que permite el cambio simultáneo del herramental planificado para un lado mientras el otro está en producción. A veces se denominan celdas de doble pared con ejes giratorios, con paredes a cada lado de la celda para proporcionar un funcionamiento seguro y hermético a la luz. Otro concepto adicional utiliza el mismo método, pero con ejes de pared de tres estaciones o una mesa giratoria de triple ala (tri-wing), que gira la pieza y las herramientas dentro de la celda láser con tres posiciones a 120⁰ cada una en una mesa. El diseño de tres alas de la estación triple puede alcanzar mayores tasas de producción, al tiempo que ofrece la capacidad de cambiar las piezas durante la producción. La alta velocidad y precisión del cabezal de corte NEWTON complementa el aumento de la productividad de los diseños de doble pared y de triple ala.
La capacidad del cabezal NEWTON permite a los robots superar las penalizaciones en tiempo de ciclo y precisión de sus predecesores. Esta nueva tecnología tiene capacidades que permiten la producción en serie o celular sin penalizaciones. La flexibilidad de añadir más cabezales láser por pieza ahorra costos de los herramentales y ayuda a equilibrar el tiempo de ciclo de operación, a la vez que mejora el Cpk. NEWTON es un factor clave para mantener el corte láser robotizado a la vanguardia de la manufactura. Este diseño único con balanceo inercial y control a través del FANUC iPendant marcará el inicio de una nueva era, redefiniendo el corte láser con robots.
