Redefiniendo el corte robótico con láser

El procesamiento de materiales en la industria automotriz, específicamente el corte con láser, ha avanzado mucho en los últimos 30 años. Los requisitos del mercado en cuanto a mayor resistencia, reducción 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 endurecidos por prensado en caliente (PHS), conocidos en general como de alta resistencia, incluyen muchas marcas comerciales diferentes.  El aspecto clave para obtener tenacidad consiste en calentar el material en la prensa de estampado, conformar la pieza y luego enfriarla rápidamente para lograr el endurecimiento del acero mientras se le da la forma estampada. 

En un proceso tradicional de estampado automotriz, una pieza pasa por varias etapas de conformado en troquel, con un troquel de recorte final para dar al metal su forma definitiva. Las piezas de PHS son duras y casi imposibles de recortar en un troquel, por lo que requieren un proceso de mecanizado para crear la forma definitiva correcta. La opción más eficaz y popular para recortar PHS es el corte por láser. Existen dos métodos principales de corte por láser: el corte por láser robotizado y el corte por láser CNC.

La evolución del corte por láser robotizado

El corte robotizado ha evolucionado gracias a un mejor rendimiento del movimiento robótico, logrado mediante modelos matemáticos precisos del mecanismo del robot y a las mejoras en el rendimiento de los servomotores del controlador y en la planificación de trayectorias. Esto ha permitido que las celdas de trabajo de corte con láser robotizadas ofrezcan un costo por pieza intercambiable competitivo en comparación con una operación de corte CNC.  Esto es especialmente cierto al procesar componentes automotrices que tienen formas variadas 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 menor del robot, pero con un rendimiento mucho mayor que el de un CNC. Las capacidades de corte con láser robótico ofrecen una mayor densidad de procesamiento con láser y permiten que se apliquen más «cabezales láser» a la pieza al mismo tiempo.

Beneficios del corte por láser robotizado

El corte por láser robotizado sigue ganando terreno en la fabricación automotriz porque ofrece varias ventajas sobre los métodos de procesamiento tradicionales:

• Procesa piezas 3D complejas con múltiples ejes de movimiento
• Aumenta el rendimiento en entornos de producción de gran volumen
• Reduce los requisitos de herramientas para componentes de acero endurecido a presión
• Permite una fabricación flexible y cambios rápidos de modelo
• Permite que múltiples cabezales de corte con láser trabajen en la misma pieza
• Mejora la eficiencia de producción gracias a una mayor densidad de procesamiento con láser
• Ayuda a los fabricantes a equilibrar la precisión, la velocidad y el costo

Acortando la brecha entre la robótica y el corte por láser CNC

La última mejora en el rendimiento del corte láser robótico proviene de una empresa llamada Shape Process Automation (anteriormente DRS Robotics). Shape colaboró con Laser Mechanism y FANUC America para desarrollar el NEWTON – Cabezal de corte robótico. 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 dentro de un rango operativo de 30 mm. El dispositivo también es capaz de alcanzar las velocidades más rápidas de corte de agujeros con láser, de 0,3 segundos para piezas de tamaño común. El robot FANUC M-20iB/25 ya cuenta con un rendimiento de trayectoria impresionante y el NEWTON lo lleva a un nuevo nivel. Esta capacidad elimina casi por completo la brecha entre el corte por láser robótico y el CNC para componentes automotrices en 3D. 

Los nuevos avances en el corte robótico continúan acortando la brecha entre la precisión de trayectoria y la velocidad, llevando el rendimiento robótico a los niveles del CNC y con un mayor rendimiento.

El diseño del NEWTON es un dispositivo con patente en trámite que cuenta con equilibrio inercial y se controla directamente desde el panel de programación del robot. La operación es sencilla gracias a la planificación de movimientos predefinidos para formas comunes, incluyendo círculos, ranuras, cuadrados, hexágonos y muchas otras disponibles en la biblioteca del robot. Para los usuarios, es tan sencillo como mover el cabezal del robot hacia la pieza y luego seleccionar la forma de corte de la biblioteca. Los atributos de la forma son fáciles de modificar para una programación rápida.  Los usuarios de robots se adaptarán fácilmente al NEWTON, ya que la programación es familiar y fácil de usar. El NEWTON puede reducir el tiempo de ciclo hasta en un 70 % en comparación con un robot de corte típico de seis ejes.

Mejora del rendimiento y la eficiencia de fabricación

La eficiencia operativa es lo más importante y el NEWTON representa un cambio radical.  Actualmente, los sistemas robóticos de corte por láser funcionan bien en una celda de trabajo o en una disposición lineal. Al revisar el diseño de procesamiento para cortar componentes PHS, es decisión del fabricante desarrollar el mejor diseño basado en el flujo de material. Por ejemplo, una celda de trabajo robótica 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 mezcla 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 las herramientas específicas, la alta densidad de láseres, una mayor puntualidad y un aumento general de la productividad. El cabezal de corte NEWTON es un elemento clave tanto para las celdas de trabajo como para el procesamiento en línea y ofrece numerosas ventajas para el procesamiento láser 3D. Un brazo robótico puede procesar una variedad de piezas y formas, ya que la construcción en serie de los brazos permite instalar más brazos robóticos en un soporte de piezas. 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 del recinto. 

El tiempo de ciclo de procesamiento de la pieza debe tenerse en cuenta al evaluar la aplicación de corte por láser. El CNC puede tener solo un cabezal de corte por láser sobre la pieza a la vez y, si el tiempo total de corte es inferior a 30 segundos, esto provoca un desequilibrio en el trabajo del operador.  En otras palabras, no pueden cargar ni descargar el material lo suficientemente rápido para un ciclo de una sola pieza de menos de 30 segundos. Si se toma el mismo tiempo de ciclo y se duplica la pieza, el costo del utillaje se duplica y el área de la celda láser también se duplica, 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 la relación de cabezales de procesamiento por pieza sigue siendo de 1:1 y el espacio ocupado aumenta.  Todo esto se traduce en más cabezales láser por pieza y permite lograr una producción más puntual. Un beneficio adicional de contar con menos accesorios o herramientas por tipo de pieza es la mejora en la capacidad del proceso (Cpk). La proporción del tiempo de ciclo y el número de cabezales por pieza deben estar equilibrados y ajustarse a los requisitos del 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 dentro de un rango operativo de 30 mm.

Optimización del flujo de material y el diseño de la célula

Los ahorros en costos de capital y espacio se hacen más evidentes cuando una celda de trabajo flexible gestiona el flujo de material a través de los ejes de una plataforma giratoria, a menudo denominada «intercambiador». Este tipo de celdas robóticas proporciona al usuario un tiempo equilibrado de carga y descarga dentro del ciclo de procesamiento con láser. Las celdas de trabajo con una sola plataforma giratoria ofrecen mayor flexibilidad, lo que permite cambios dinámicos de fijación de piezas o de herramientas para piezas de otros modelos. Las celdas con plataforma giratoria de dos lados permiten una operación continua, lo que hace posible el cambio planificado y simultáneo de herramientas en un lado mientras el otro está en producción. A veces se les conoce como celdas de doble pared con ejes de plataforma giratoria, con paredes a cada lado de la celda para proporcionar una operación segura y a prueba de luz. 

Un concepto adicional utiliza el mismo método, pero con ejes de pared de tres estaciones o una mesa giratoria de tres alas, que gira la pieza y las herramientas hacia el interior de la célula láser con tres posiciones a 120⁰ cada una en una sola mesa. El diseño de tres alas de la estación triple permite alcanzar tasas de producción más altas, al tiempo que ofrece la capacidad de realizar el cambio de piezas durante la producción.  La alta velocidad y precisión del cabezal de corte NEWTON complementa el aumento de productividad de los diseños de doble pared y de tres alas.

La capacidad del cabezal NEWTON permite a los robots superar las limitaciones en cuanto a tiempo de ciclo y precisión que presentaban sus predecesores. Esta nueva tecnología cuenta con capacidades que permiten la producción en serie o celular sin penalizaciones. La flexibilidad de agregar más cabezales láser por pieza ahorra costos de utillaje y ayuda a equilibrar el tiempo de ciclo de operación, al tiempo 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 equilibrio de inercia y el control a través del FANUC iPendant marcarán el inicio de una nueva era, redefiniendo el corte láser robotizado.