La sopa de nueces de troqueles y moldes

Describir la industria de matrices y moldes como amplia o de gran alcance es como llamar destornillador elegante a una navaja suiza. Troqueles de estampado progresivo, herramientas para plegadoras, moldes de soplado, moldes de fundición a presión y troqueles de forjado: estos son solo algunos de los productos mecanizados que una persona podría aprender a construir al obtener su certificado de Herramientas y Troqueles en la institución técnico-vocacional local. (que más jóvenes deberían seguir), un lugar que ayuda a mantener en marcha las ruedas de la civilización.

A pesar del título de este artículo, está lejos de ser una inmersión exhaustiva en la fabricación de herramientas. Eso requeriría cientos de páginas y aportes de docenas de expertos de la industria. Sin embargo, proporcionará una idea de la tecnología de mecanizado detrás de las complejas formas tridimensionales que se encuentran en los moldes de inyección de plástico, así como cierta orientación sobre el software necesario para diseñar, simular y optimizar estos conjuntos sofisticados.

Además, mucho de lo que se describe aquí se aplica igualmente a otras aplicaciones de fabricación de herramientas, como los troqueles de estampado utilizados para formar paneles de carrocerías de automóviles o los moldes para los envases termoformados que mantuvieron caliente su cena para llevar en el camino a casa anoche. Lo mismo ocurre con las herramientas de corte, la maquinaria CNC y el software CAM que se utilizan para producir estas superficies de alta precisión, a menudo de forma libre, todas las cuales son igualmente necesarias para producir los componentes que se encuentran en industrias como la aeroespacial y la médica. La pregunta entonces es: ¿Qué tiene de especial el trabajo con troqueles y moldes?

Sean Shafer, gerente de segmento del mercado de troqueles y moldes de Makino Inc., tiene algunas ideas. El fabricante de máquinas de Mason, Ohio, es bien conocido por su presencia en esta industria, y Shafer, junto con el gerente de marketing de productos, Dave Ward, ha estado en la compañía por más tiempo del que muchos lectores han tenido sus licencias de conducir. Los veteranos de la industria enumeraron varios diferenciadores clave entre este y otros tipos de mecanizado, comenzando por la complejidad.

"Últimamente se ha escrito mucho sobre Tesla y Giga Press del Grupo Idra, pero eso es sólo la punta del iceberg", dijo Shafer. “La industria automotriz en general ha visto el valor de combinar múltiples componentes estructurales en una sola pieza fundida. Reduce el tiempo de instalación, reduce el peso y agrega rigidez estructural al vehículo”.

Sin embargo, como señaló Ward, producir estas piezas requiere moldes más grandes y profundos que en el pasado, trabajo para el cual los centros de mecanizado tradicionales de tres ejes son menos productivos. “Se necesita la capacidad de inclinar el husillo para lograr el ángulo de ataque más efectivo y alcanzar estas características profundas sin tener que sacar demasiado la herramienta. Este enfoque no sólo mejora la vida útil de la herramienta y el acabado de la superficie, sino que también aumenta significativamente las tasas de eliminación de metal”.

Están hablando de centros de mecanizado CNC de cinco ejes, tecnología que está cambiando la forma en que talleres de todo tipo fabrican piezas. Makino amplió recientemente su oferta en esta área con dos máquinas, la V100S y la D2, ambas “construidas desde cero específicamente para componentes grandes de moldes y matrices”. La empresa también sigue ofreciendo automatización en forma de robótica integrada y sistemas de cambio de palets. Riendo, Ward señaló: “Visitamos muchos talleres y hay tres tendencias principales en este momento: cinco ejes, cinco ejes y automatización”.

El mecanizado en una fresadora de tres ejes significa que la fresa siempre está orientada perpendicular a la pieza de trabajo, señaló Ward. Esto está bien para taladrar, planear y otras operaciones de mecanizado comunes, pero con las cavidades del molde, que normalmente se mecanizan mediante fresas de punta esférica, la punta de la herramienta a menudo realiza gran parte del corte. Desafortunadamente, las velocidades de la superficie se acercan a cero cuanto más se acerca a este "punto nulo", lo que reduce en gran medida las tasas de eliminación de metal.

"Ahora, si puedes inclinar esa fresa en ángulo como con una máquina de cinco ejes, estás cortando con la periferia de la bola", dijo Shafer. “Es posible que obtenga seis flautas efectivas en lugar de una. Esto genera una acción de corte mucho mejor y, dado que puede aplastar la herramienta, elimina la vibración y puede avanzar de manera mucho más agresiva. Beneficios como estos son los que están convirtiendo a los centros de mecanizado de cinco ejes en la máquina herramienta preferida en muchos talleres de troqueles y moldes. Son el único camino a seguir, sin importar el tamaño del trabajo que estés haciendo”.

Irónicamente, los cinco ejes están empezando a reducir la necesidad de unidades de punta esférica. Ward y Shafer coincidieron en que, cuando no hablan de “cinco ejes, cinco ejes y automatización” con sus clientes, están respondiendo preguntas sobre el corte de segmentos circulares, también conocido como fresado de barriles. También lo es Takuro “Tak” Sato, gerente de aplicaciones técnicas del equipo de troqueles y moldes de Mitsubishi Materials USA (MMUS), Costa Mesa, California, un grupo que representa la marca de herramientas de corte Moldino de la empresa.

Sato enumeró una gran cantidad de cortadores de barril cónicos indexables y de carburo sólido, entre ellos GP1LB, GF2T, GF3L y GS4TN. Las aplicaciones sugeridas incluyen troqueles de estampado, moldes de fundición a presión y de inyección de plástico, blisks, impulsores y álabes de turbinas, moldes utilizados en la producción de neumáticos y los llamados moldes de bañera.

Todos son parte de la serie Gallea de herramientas de segmento circular de la compañía y, como todos estos cortadores, tienen flautas que contienen uno o más segmentos de arco rectificados con precisión mucho más grandes que los de un molino de extremo de bola de tamaño comparable. Esto permite mayores pasos hacia abajo en las paredes de la cavidad del molde y, en el caso de cortadoras de barril tipo “lente”, pasos más grandes en los pisos de la cavidad. El resultado es un acabado más rápido (hasta un 70 por ciento en algunos casos) y acabados superficiales más suaves de lo que es posible con los cortadores de punta esférica.

Dada la amplia variedad de radios, formas, tamaños y fabricantes de molinos de barril, seleccionar uno puede ser un proceso confuso. Sato explicó que gran parte de la variación proviene de la diversa gama de aplicaciones de esta innovadora tecnología de mecanizado. Como se señaló anteriormente, los fabricantes aeroespaciales los utilizan para cortar álabes e impulsores de turbinas, mientras que los que fabrican implantes ortopédicos rutinariamente fresan formas óseas complejas.

Sin embargo, prácticamente cualquier superficie de forma libre que se esté mecanizando actualmente con una fresa de punta esférica es probablemente candidata para el fresado de barril cónico. El truco consiste en encontrar la herramienta adecuada y luego generar la trayectoria correcta. "Está lejos de ser una solución única para todos", advirtió Sato. “Por ejemplo, hicimos nuestros radios más pequeños que los de algunos de nuestros competidores para satisfacer las necesidades de los fabricantes de moldes. Un radio más pequeño reduce la presión de la herramienta y la posibilidad de vibración, por lo que es una mejor opción para los materiales duros utilizados en esta industria”.

Qué herramienta es más adecuada para la aplicación depende en última instancia del programador, añadió, afirmación con la que Jesse Trinque está de acuerdo. Ingeniero de ventas y aplicaciones para CNC Software LLC, con sede en Tolland, Connecticut, fabricante de Mastercam, tiene mucho que decir sobre el corte de segmentos circulares, empezando por el hecho de que no es para todos.

Cuando se trata de moldes, las cortadoras de barril son más efectivas en superficies sin un gran cambio en la curvatura en relación con su tamaño, dijo. “Así que cuanto mayor sea la superficie y menor la curvatura, mejor será el conjunto de aplicaciones que tendrá. En otras palabras, funcionarán muy bien en un molde para un chip Pringle, no tanto en uno con ondas”.

Esto es especialmente cierto si el Pringle es en realidad una puerta de automóvil de gran tamaño. Trinque señaló que estas superficies grandes y suavemente curvadas tienden a consumir la mayor parte del tiempo de mecanizado, lo que brinda a las cortadoras de segmentos circulares una clara ventaja. Y, sin embargo, no son para todos los clientes, advirtió. Como Sato sugirió anteriormente, programarlos requiere la herramienta, la máquina y el software CAM correctos, y una gran cantidad de conocimientos de mecanizado.

"Es importante que comprenda su máquina y cómo se mueve, y que realmente tenga una sólida comprensión de las técnicas de programación de cinco ejes antes de dar ese paso", añadió Trinque. “No querrás correr antes de aprender a caminar. Las herramientas del segmento circular definitivamente tienen su lugar, pero también pueden llevar a las personas por el camino equivocado muy rápidamente, dejándolas frustradas y con pocas probabilidades de darle una segunda oportunidad”.

Aprender a caminar también se aplica a la maquinaria, independientemente de la herramienta de corte que se utilice. Cuando se le preguntó acerca de “comprender su máquina” y las técnicas de cinco ejes, Trinque señaló que un programa CNC puede verse perfectamente bien en la pantalla pero comportarse de manera diferente en los distintos estilos de centros de mecanizado de cinco ejes. Dependiendo del fabricante, estas incluyen construcciones de cabeza-cabeza, mesa-cabeza y mesa-mesa, cada una de las cuales tiene una cinemática distinta que influye en el rendimiento y el enfoque de programación.

“Independientemente de lo que esté mecanizando, es fundamental que conozca las fortalezas y debilidades del equipo y se aleje de estas últimas tanto como sea posible”, afirmó Trinque.

Cualquier programador de CNC sabe que Mastercam hace mucho más que generar trayectorias de segmentos circulares. Lo mismo ocurre con los productos Fusion 360 y PowerMill de Autodesk Inc., los cuales tienen muchos seguidores en el segmento de moldes y matrices (y otros).

Pero como Hanno Van Raalte se apresura a señalar, el éxito en esta industria va mucho más allá del uso de máquinas herramienta, cortadoras y sistemas CAD/CAM de alta calidad. También depende cada vez más de un gemelo digital. "Cada vez es más importante poder responder rápidamente a los cambios tardíos, y un gemelo digital del diseño del plástico, el molde e incluso el proceso de moldeado proporciona una gran ventaja", afirmó.

Van Raalte es el gerente de producto de Moldflow, una herramienta de software que Autodesk, con sede en San Francisco, California, describe como “simulación de moldes de inyección y compresión de plástico para diseño y fabricación”. Con él, señaló, los fabricantes de herramientas pueden simular el proceso de moldeado desde el arte hasta la pieza y más allá.

“Digamos que ha diseñado una carcasa para una nueva línea de aspiradoras. ¿Qué quiere decir que es moldeable? ¿Las paredes tienen el espesor adecuado? ¿Hay características que interferirán con la expulsión de la pieza o provocarán deformaciones? Moldflow permite a los usuarios analizar estas y muchas otras reglas de diseño y tomar decisiones inteligentes desde el principio, mucho antes de que se genere la primera trayectoria o se fabrique el chip”.

Mark Hennebicque, director comercial de simulación de Autodesk, señaló que la moldeabilidad es sólo el punto de partida. Al construir un gemelo digital en las primeras etapas del proceso, los fabricantes de moldes pueden realizar simulaciones FEA del flujo de material y las características térmicas y luego utilizar esta información para optimizar el diseño de la herramienta. Luego pueden instalar el molde virtual en un gemelo del equipo de moldeo y determinar los mejores ajustes para las presiones de inyección y la temperatura del material. Al hacerlo, se reduce el tiempo del ciclo y, por lo tanto, el costo, al mismo tiempo que se ayudan a eliminar problemas comunes como la rebaba, el hundimiento y la variabilidad dimensional.

Este último tema es un problema común en toda la industria, dijo Hennebicque. “Los fabricantes de moldes siempre buscan mejorar la precisión y los costos, pero como tienen que hacer ciertas suposiciones durante el proceso de diseño, esto puede ser un desafío. Al mismo tiempo, la planta de producción o, en algunos casos, un subcontratista, puede tomar decisiones posteriores que deberían haberse tenido en cuenta antes”.

De todos modos, la simulación con un gemelo digital proporciona un enfoque iterativo y colaborativo que abarca todo el proceso de diseño y fabricación. También captura todos los datos asociados con estos procesos: si hay un problema seis meses después y el taller necesita reelaborar una cavidad del molde o producir un nuevo inserto, no hay necesidad de reinventar la rueda. “Todo lo que necesitan para reproducir la herramienta original está contenido en el gemelo”, concluyó.

Van Raalte estuvo de acuerdo. “En muchas industrias, incluida la fabricación de moldes, el gemelo digital está cambiando la forma en que las empresas hacen negocios. Les permite fabricar mejores productos. La confianza aumenta, el riesgo disminuye y todos pueden hacer más con el tiempo que tienen. Por eso, el gemelo se está convirtiendo rápidamente en una herramienta imprescindible para muchos fabricantes”.

David Hill, de Hexagon Manufacturing Intelligence, ofrece prácticamente los mismos consejos sobre los gemelos digitales. Como director de Operaciones Comerciales de la compañía en Canadá, le dirá que Hexagon, con sede en North Kingstown, Rhode Island, ofrece herramientas de diseño e ingeniería competitivas y alienta a quienes trabajan en la fabricación de moldes y otras industrias a aprovechar sus inmensas capacidades. Pero para este artículo, Hill analizó otro componente crítico de la fabricación de moldes y matrices: la metrología.

"Estoy totalmente de acuerdo con las declaraciones hechas anteriormente sobre los avances recientes en simulación CAM y análisis de moldes, pero desde una perspectiva de metrología, una de las tecnologías más importantes hoy en día es la capacidad de medir dónde se fabrica", dijo.

Claramente, el sondeo y escaneo en la máquina elimina los viajes regulares a la sala de inspección, mejorando así los niveles generales de efectividad del equipo y reduciendo la posibilidad de que se deseche una pieza debido a errores de mecanizado. Estos beneficios son importantes para todos los procesos de fabricación, pero cuando la pieza de trabajo pesa cientos o quizás miles de libras, como ocurre con muchos moldes y matrices, validarla en la máquina puede marcar la diferencia entre ganancias y pérdidas.

Las sondas táctiles montadas en husillo no son nada nuevo. Incluso el escaneo con láser y luz estructurada se ha vuelto cada vez más común en la planta de producción.

Lo que es menos común es el uso de estas tecnologías para recopilar rápidamente millones de puntos de datos y luego usar esos datos para validar las simulaciones producidas en software como el que ofrecen Hexagon y otros. Esto permite a los fabricantes de herramientas e ingenieros comparar los valores dimensionales en proceso con el archivo CAD, analizar la recuperación elástica, verificar los datos principales para que se formen con los mejores ajustes y solucionar problemas en áreas preocupantes, eliminando costosos recortes y no conformidades.

Pero ¿qué pasa con la precisión? Cualquier maquinista que se precie sabe que nunca se deben realizar mediciones críticas en un centro de mecanizado CNC, sin importar qué logotipo esté pegado a la chapa. ¿Bien?

Tal vez sea así, pero como señaló Hill, las máquinas herramienta de alta gama actuales son muy precisas para muchas funciones de medición, sin importar el hecho de que los sistemas portátiles de luz estructurada y láser (como el HP-L-10.10, el escáner láser AS1 y el sistema de luz estructurada de la compañía) Light Systems) pueden acercarse a niveles de precisión de 5 micrones.

"Es cierto que la metrología portátil y en máquina nunca reemplazará realmente a la CMM [máquina de medición de coordenadas], pero muchos en esta industria están descubriendo que estas tecnologías les brindan una ventaja competitiva", dijo Hill. “Se presta bastante bien para ingeniería inversa, inspección de componentes, ajuste fino del proceso de mecanizado y muchos otros usos, todos los cuales se pueden realizar rápida y fácilmente sin mover la pieza de trabajo. El tiempo es fundamental en la fabricación y, aunque odio usar un cliché, estas soluciones están cambiando las reglas del juego”.

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