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La cambiante relación de doblado-corte en la fabricación de metales

Figure 1
El doblado robotizado ha ayudado a los fabricantes a manejar la producción cada vez mayor de los sistemas de corte.

Usted, ¿cuántas máquinas de corte—es decir, sistemas de punzonado o de corte láser—tiene? ¿Cuántas prensas dobladoras? Encontrar la relación perfecta de máquinas de corte y máquinas dobladoras puede ser un reto, especialmente si está tratando de optimizar el flujo de partes y equilibrar los aspectos de programación en corte y doblado.

El alejarse de “hacer para almacenar” y acercarse a “hacer bajo pedido” ha tenido quizás el efecto más dramático en la manera en que fluyen las partes por del taller de fa-bricación. La mayoría de las compañías durante la década pasada han trabajado para lograr el concepto esbelto de producir justo lo que se necesita en un momento particular para los procesos corriente abajo. Este concepto reduce muchos desperdicios, pero también presiona a cada departamento para que concluya las partes de manera consistente, nivelando la producción para todo el taller.

Desde una perspectiva amplia, los avances en la tecnología de corte—desde los láseres de fibra hasta nuevas formas de automatización de la manipulación de chapa y partes que pueden producir más partes en menos tiempo—han afectado significativamente la relación. En el pasado, una relación común era dos prensas dobladoras por cada máquina de corte. Actualmente, con tanta capacidad en corte, podría pensar que necesita muchas más prensas dobladoras para manejar todas las partes que vienen de un solo láser automatizado. Aunque al mismo tiempo, el proceso de doblado se ha vuelto mucho más eficiente y automatizado también, incluso para operaciones con altas mezclas de productos (vea la Figura 1).

Los avances en las velocidades de corte del láser de fibra, la automatización de la manipulación de chapa, así como el doblado han hecho que determinar una relación perfectamente equilibrada de corte-doblado sea más difícil que nunca. En la mayoría de las operaciones, las partes fluyen hacia el doblado, tradicionalmente el área de mayor configuración en el taller, con configuraciones que toman de 30 minutos a horas. Cuando los talleres tenían producciones de cientos o miles de piezas cuya conclusión se llevaba varias horas o incluso varios turnos, las configuraciones tardadas no eran un factor.

Sin embargo, los tiempos sí que han cambiado. Si los fabricantes no hacen algo para acortar la configuración en sus ambien-tes de alta mezcla y bajos volúmenes, pueden gastar 75 por ciento o más del día haciendo actividades de configuración en el área de doblado. Esto deja al departamento de prensa dobladora con un tiempo de producción real de 25 por ciento o menos. En esta situación, no es de sorprender que muchos digan que sus peores cuellos de botella están en el doblado.

En el pasado, los fabricantes podían haber elegido invertir en más prensas dobladoras convencionales, cada una de las cuales requería su propio operador calificado para operarla, y cada una de las cuales requería tiempos de programación y cambio de he-rramientas. Desafortunadamente, esto no atiende la mala relación entre actividades de configuración y actividades de procesamiento en el doblado. Además, cuando una compañía trata de contratar personas calificadas, descubre rápidamente que en la actualidad casi ya no hay operadores de prensa dobladora con experiencia.

Afortunadamente, las tecnologías que acortan la configuración en el área de doblado han crecido tan rápido como en el área de corte. Ahora los fabricantes pueden nivelar la producción del corte al doblado sin contratar más operadores ni aumentar el tamaño de sus departamentos de doblado.

En un sentido, estos avances—tanto en corte como en doblado—son piezas de un rompecabezas de producción que requiere pensamiento holístico. Empieza con una pregunta sencilla: ¿cómo funcionan mejor como un sistema procesos múltiples en el taller de fabricación? El secreto está en encontrar la manera más eficiente en que todas las piezas encajen entre sí.

Pieza 1: Manejo de Chapa

En muchas aplicaciones, los láseres de fibra modernos pueden cortar cinco veces más rápido que sus homólogos de CO2. En algunos casos, el tiempo total de corte de un nido en una chapa de 5 por 10 pies puede ser apenas un poco más de un minuto. Aun cuando esto aumenta la capacidad de corte, también implica retos para la automatización del corte. La automatización de la manipulación de la chapa necesita estar a la par de esas rápidas velocidades de corte (vea las Figuras 2 y 3).

Para ese propósito, los sistemas de automatización se han vuelto más rápidos y más compactos; mientras menor sea la distancia que una hoja necesite recorrer, más rápido puede ocurrir la carga y descarga. En sistemas de almacenamiento y manejo de material basados en torre, también han aumentado las velocidades de ciclo del elevador.

Figure 2
En muchas aplicaciones, los láseres de fibra modernos pueden cortar cinco veces más rápido que sus homólogos de CO2.

Pieza 2: menos operaciones secundarias

Gracias a los avances en el herramental de punzón de torreta, como por ejemplo el machuelado durante el proceso, las partes ya no necesitan fluir hacia un proceso separado de machuelado o formado especial.

Estas partes ahora pueden machuelarse y formarse en la punzonadora, y luego fluir directamente al formado. Esto crea eficiencias obvias, y además significa que más partes fluyen directamente hacia el doblado.

Pieza 3: manejo de la parte plana

Anteriormente, la automatización del corte dejaba largas pilas de piezas de trabajo en proceso (WIP, por sus siglas en inglés) que necesitaban ser clasificadas y distribuidas a la siguiente operación. Esto hacía lento el flujo de partes, que requerían varias horas o días para que llegar al siguiente paso de manu-factura. Ahora, con robots clasificadores de partes y otros sistemas que automáticamente remueven y clasifican partes cortadas de un nido, los trabajos están listos para moverse inmediatamente a la siguiente operación.

Todo esto aumenta dramáticamente la producción de corte, desde el momento en que la chapa es tomada del almacén hasta el momento en que una pieza cortada llega a la operación de doblado. Con las mayores velocidades de corte del láser de fibra y la remoción automatizada de partes, el siguiente reto es cómo aumentar la producción del departamento de doblado.

Pieza 4: programación del doblez fuera de línea

El único avance de doblado más grande de la década pasada fue sacar la programa-ción de partes del control de la máquina y llevarla a una estación de trabajo fuera de línea. El software y los controles de la prensa dobladora han tenido avances importantes que ayudan a los operadores a fraccionar el complejo proceso de doblado en prensa dobladora en un ambiente virtual, con gráficas en 3-D que representan con exactitud la máquina, las herramientas y la geometría de las partes. El proceso de prueba y error para determinar una configuración de nuevas corridas de producción ahora puede ocurrir fuera de línea.

Estas plataformas de software toman datos electrónicos de partes que existen en el taller—en forma de datos en 2-D como archivos DXF e IGES, o modelos en 3-D—y crean programas de doblado. Los técnicos que programan fuera de línea pueden localizar y resolver problemas de manufacturabilidad y requerimientos de herramental antes de que se desperdicien valiosos recursos en la planta de producción.

Los problemas pueden venir de tamaños de piezas mal calculados, lo cual es un problema común considerando que una deducción de doblez no puede determinarse en realidad sin conocer el herramental de doblez que se usará. Muchos programas CAM permiten la exportación de tamaños de pieza corregidos—de nuevo, basados en el herramental real de prensa que se usará—de regreso a la programación del punzonado y del láser.

Cuando las piezas cortadas llegan a las prensas dobladoras, tienen el tamaño correcto para el herramental que se está usando.

La planeación de la secuencia de doblez, la selección y arreglo de herramientas y la programación de la prensa ahora ya no necesitan ocurrir en la planta de producción, aumentando el tiempo de producción real. Desde el punto de vista del operador, las partes nuevas no son diferentes de los trabajos repetitivos.

Viendo todo el panorama, la programa-ción fuera de línea y la simulación llevanmás procesos a ingeniería o a una función separada de trabajo de programación de doblez. En este sentido, el software mueve la carga que implica la programación de doblez, de la planta de producción a la oficina.

Figure 3
La automatización de la manipulación de chapas debe diseñarse para estar a la par de las rápidas velocidades de corte del láser de fibra.

De todos modos, algunos programas CAM ahora pueden procesar por lotes grandes cantidades de partes de manera autónoma. El software puede entrenarse para explorar la base de datos buscando revisiones de dibujos y reprogramar partes automáticamente cuando sea necesario. Y si los programas de partes están en una base de datos centralizada, el programa puede ser movido de una prensa a otra si el calendario de producción requiere cambios.

Pieza 5: control 3-D integrado

Los programas de doblez creados fuera de línea generan información útil que puede hacer más eficiente la configuración y la producción. Sin embargo, presentan algunos factores que se deben considerar en la prensa dobladora en sí.

Los programas de doblado simulados fuera de línea con frecuencia tienen configuraciones por etapas que incluyen varios juegos de herramientas. En lugar de enviar una parte complicada a través de varias prensas dobladoras, o a través de varias configuraciones consecutivas en una prensa dobladora, un operador puede doblar por etapas una parte sumamente complicada todo en una configuración. Esto puede aumentar espectacularmente la productividad del doblado.

De todos modos, configurar y ejecutar un doblez por etapas tan complejo puede ser desalentador. Puede haber errores, durante la configuración y durante el proceso de doblado en sí. ¿Y si el operador orienta incorrectamente la parte, o dobla una pestaña en la dirección equivocada?

Es aquí donde un control 3-D integrado juega un papel crítico (vea la Figura 4). Cuando un operador de prensa descarga el siguiente programa de parte, primero ve una hoja de configuración de herramental con toda la información referente al tipo y al arreglo de la herramienta. Con frecuencia el sistema muestra esto gráficamente en un control interactivo con pantalla táctil. La máquina además puede ayudar al operador a configurar las herramientas moviendo el tope trasero o encendiendo una luz LED justo arriba de la ubicación de la herramienta. Todo esto muestra al operador la colocación exacta de la herramienta y reduce significativamente el tiempo de configuración aun más.

Concluida la configuración de la herramienta, el operador está listo para empezar a doblar. La simulación en 3-D generada por el programa de doblado virtual, mostrada en el control de la máquina, guía al operador doblez por doblez para colocar y orientar la parte. Esto acelera enormemente el doblado y reduce el riesgo de errores de formado desde errores de colocación de la parte o errores de secuencia incorrecta.

Pieza 6: ajuste automático del ángulo

Un departamento de doblado podrá tener programación fuera de línea y hasta los mejores controles más recientes para facilitar la velocidad y acelerar el doblado, pero esto no cambia el hecho de que propiedades inconsistentes de los materiales sigan causando ángulos de doblez inconsistentes.

Intervienen muchos factores cuando se trata de lograr el ángulo de doblez deseado. Las variaciones en el espesor del material, en la dureza y en las direcciones del grano pueden ser un obstáculo para hacer partes buenas.

Para superar este reto, muchos fabricantes de prensas dobladoras ahora incorporan puntas de prueba, sensores o láseres para medir el ángulo durante el ciclo de doblado, lo que permite que la máquina ajuste el ángulo sobre la marcha. Esto elimina las demandas de tiempo y de material del doblado de prueba. Además, puede usarse para moni-torear y ajustar el proceso de doblado, lo que reduce la necesidad de tardadas inspecciones durante el proceso.

Pieza 7: cambio automático de herramientas

La acción tardada que queda entre trabajos es el cambio de herramientas en sí: cambiar punzones y dados de una prensa. Conforme los fabricantes se han movido hacia el anidado dinámico en corte y flujo de partes basado en kits, los tamaños de los lotes se están reduciendo, y esto hace que los cambios de herramientas sean más frecuentes que antes.

Figure 4
Los controles 3-D integrados ayudan a guiar a los operadores de prensa dobladora a través de complejas secuencias de doblado.

Así como la automatización ha aumentado la productividad para la producción de alta mezcla de productos en el área de corte, ha hecho lo mismo con el doblado, y empieza con el cambio automático de he-rramientas (ATC, por sus siglas en inglés). Las prensas dobladoras con ATC usan la misma información de programación fuera de línea que las prensas autónomas actuales, pero usan manipuladores para cambiar el herramental. Las herramientas pueden cambiarse individualmente o preacomodarse en racks horizontales y moverse en grupos (vea la Figura 5). Independientemente del método, estos sistemas usualmente requieren herramental diseñado específicamente para trabajar con la tecnología de cambio de he-rramientas.

El ATC deja libre al operador para hacer otras tareas de configuración mientras las herramientas se están cargando, y reduce enormemente el tiempo entre trabajos. El operador sigue doblando partes manualmente, con la ayuda de una representación gráfica 3-D en el control, pero el ATC ayuda muchísimo a mejorar la producción. Un o-perador trabajando en una prensa con ATC típicamente puede hacer el trabajo de tres operadores frente a tres prensas dobladoras convencionales.

Pieza 8: sistemas automatizados de doblado

Tradicionalmente, los fabricantes conside-raban el doblado automático sólo si los volúmenes lo justificaban. Para configurar una celda de doblado completamente robotizada, los operadores trabajaban con un control colgante para enseñar manualmente al robot cada uno de los movimientos requeridos para doblar la parte. El robot debía hacer cientos si no miles de movimientos, todos los cuales tenían que programarse, lo que por supuesto resultaba en tiempos de configuración sumamente largos. Una celda de doblado robotizada requería demasiado tiempo de programación y de planeación para justificar la inversión en una situación de alta mezcla de productos.

Sin embargo, los tiempos han cambiado, y las prensas dobladoras robotizadas han ido más allá del ámbito de las corridas largas a las corridas cortas típicas en los fabricantes de la actualidad. El uso de programación y simulación fuera de línea ha contribuido de manera importante a esto. En una prensa autónoma, ahora el software puede crear la selección de herramientas, la configuración y el programa de doblez. Con el doblado completamente automatizado, el software crea el programa de robot también, dejándole al operador sólo un poco de ajuste fino la primera vez que el programa es ejecutado en la planta. Con este avance, el doblado automatizado que sólo era eficiente para producciones largas ahora es productivo para diversos tamaños de lote (vea la Figura 6).

De todos modos, incluso con la programación fuera de línea, una prensa robo-tizada puede seguir requiriendo un número sustancial de tareas de configuración entre trabajos. Las herramientas tienen que quitarse y reinstalarse, los sujetadores de robot deben cambiarse, y las piezas deben cargarse para la siguiente corrida de partes. Ahora muchos talleres producen tamaños de lote de menos de 20 piezas, y en estos casos—incluso con programación y simulación fuera de línea—se llevaría más tiempo configurar un lote tan pequeño que lo que se llevaría producirlo en realidad.

La tecnología actual enfrenta estos retos con avances en el cambio de herramientas, manejo de sujetadores manuales y calendarios de trabajos manejados por software. En el doblado totalmente automatizado, los cambios de herramientas automáticos ocu-rren de dos maneras. Una manera es equipar el robot de doblado con un sujetador cambiador de herramienta y hacerlo que ponga las herramientas en los portaherramientas de la prensa dobladora, una herramienta a la vez. Este tipo de sistema puede funcionar para longitudes de cama cortas con menos segmentos de herramienta que cargar.

Una segunda manera es usar un sistema de cambio de herramientas dedicado, similar a los sistemas ATC usados en máquinas autónomas. Algunos métodos de ATC incorporan dos manipuladores que simultáneamente quitan y ponen segmentos individuales de herramienta; otros métodos—especialmente ventajosos para longitudes de cama más grandes—pueden deslizar racks completos de herramental a su sitio a la vez. Como con las prensas dobladoras autónomas con ATC, estos sistemas usualmente requieren herramental diseñado específicamente para funcionar con la tecnología de cambio de herramientas.

Todo esto acorta espectacularmente los cambios de herramientas, con frecuencia a unos minutos. Sin embargo, dichos cambios rápidos no importarían si los robots no pudieran cambiar eficientemente sus sujetadores. Los robots requieren sujetadores diferentes para partes diferentes. Sin embargo, los sistemas modernos eliminan la intervención manual y automatizan el cambio de sujetador.

El software de programación en el control avanza al siguiente trabajo en la cola; la función de ATC pone las nuevas herramientas, y los robots automáticamente cambian sujetadores según sea necesario. Aun cuando estos sistemas requieren la inversión más alta de capital y tienen una curva de apren-dizaje ligeramente mayor, pueden proporcionar grandes mejoras en la productividad y reducir los costos en mano de obra.

Juntando las piezas

Si un taller tenía dos láseres, tradicionalmente tendría cuatro prensas dobladoras, que alimentaban o eran alimentadas, dependiendo de cuántas partes en la mezcla requirieran formado. El rompecabezas era fácil, las piezas eran simples de juntar. Aun así, esas piezas podían hacer que un taller fuera muy productivo. Actualmente, las piezas del rompecabezas no son tan simples, pero si se eligen y se acomodan bien, pueden aportar una eficiencia extraordinaria a un taller de fabricación.

Figure 5
Éste es un carrusel de herramientas en una prensa dobladora con cambiador automático de herramientas, o ATC. El ATC puede ocurrir con manipuladores que quitan y ponen punzones y dados, o que quitan y ponen racks de herramental a la vez.

Entonces, ¿cuál es la relación perfecta de corte (torretas y láseres) a doblado en su taller? Mucho de esto depende de su mezcla actual de productos, así como de la mezcla de productos deseada. ¿Cuántas partes formadas tiene en comparación con partes que sólo usan punzón o láser? ¿Qué tan complejas son sus partes formadas, y cuánto tiempo tardan en ser procesadas?

Sin duda cada taller dará respuestas diferentes. Sin embargo, una cosa es segura: un taller de fabricación eficiente opera como un sistema, y eso no puede ocurrir si los departamentos de corte y de doblado actúan por separado. Toda la eficiencia de corte del mundo no necesariamente hace a un taller más competitivo. Si usted ignora al departamento de doblado y sigue operando de la misma manera, su cuello de botella de doblado continuará, incluso con procesamiento láser cada vez más rápido y automatización del corte.

Dustin Diehl es gerente de productos láser, y Scott Ottens es gerente de productos de doblado, Amada America Inc., 877-262-3287, www.amada.com.

Figure 6
La tecnología de robot y de sujetador ha avanzado en los últimos años. Ahora es capaz de manejar una mayor variedad de geometrías de parte asiendo la pieza de trabajo en frente (como se muestra) o incluso detrás del herramental.