Aplicación de mecanizado automotriz en la industria aeroespacial

Desde antes que Brian Ickler, a sus 12 años, subiera por primera vez al asiento del piloto del buggy personalizado de su padre, en el desierto de California del Sur, sabía que su futuro eran las carreras.

Sin embargo, más de 20 años después, Ickler gasta más tiempo al frente de una máquina-herramienta CNC que detrás del volante de un carro de carreras. Así ha sido desde 2014, cuando comenzó a fabricar componentes de motores, cuando sus anteriores contrincantes de NASCAR generalmente llegaban a su punto de falla (o aún peor) por la búsqueda continua de recortar fracciones de segundo en cada vuelta.

El cambio de enfoque no ha significado comprometer la ambición. Este piloto, convertido en propietario de taller, comenzó haciéndolo como un hobby antes de meterse en un negocio de manufactura de tiempo completo.

Así, ha visto crecer a Ickler Manufacturing desde un área de 418 metros cuadrados hasta 1,300 metros cuadrados, y de una a siete máquinas-herramienta CNC en menos de cuatro años.

La producción gira en su mayoría alrededor de dos modelos de cinco ejes que desarrollan operaciones 3+2 en ángulo y contorneado totalmente simultáneo, mientras que su equipo de cinco empleados ayuda a mantener todo el equipo (y el negocio en general) operando de la manera más eficiente es posible.

El rápido crecimiento ha llevado al taller a tener mayores ambiciones. Ahora, más del 90 por ciento del trabajo consiste en componentes que llevan a la gente no por una carretera sino a través de las nubes. Estos prototipos aeroespaciales y de defensa de producción rápida son similares en muchas formas a las partes de deportes de motor que han provocado la mayor parte del crecimiento de la compañía, ubicada en Mooresville, Carolina del Norte.

De hecho, es tan similar que, si hay una “lista de chequeo prevuelo” para un proceso de mecanizado aeroespacial efectivo, Ickler Manufacturing busca tener inspeccionados todos los elementos necesarios, incluso antes de entrar a ese mercado. “Ellas también son”, dice Ickler sobre los tipos de partes para deportes de motor que han generado la mayoría del éxito del taller.

“No sólo tienen que funcionar; tienen que ser hermosas. Haciendo lo que hacemos ahora me hace feliz, porque no comenzamos a hacer alguna cosa cruda. Hubiera sido mucho más difícil”.

Lo que ha cambiado es todo alrededor del mecanizado, dice. Los tiempos totales son más estrechos, a una o dos semanas comparadas con cinco o seis, dejando menos tiempo para la programación y el alistamiento. También hay mucha más programación para ejecutar, porque un único programa no llega tan lejos.

A diferencia del trabajo automotriz, los trabajos de los nuevos prototipos necesitan sólo unas pocas partes en general, de modo que las máquinas gastan más tiempo cortando partes diferentes que duplicadas. Tratar con más partes y más programas también requiere una documentación robusta del proceso, particularmente para el sensible trabajo aeroespacial y de defensa.

En ese último punto, Ickler es el primero en admitir que más adelante le esperan retos significativos. Añadir un laboratorio de calidad dedicado y lograr la certificación AS9100, por ejemplo, será esencial para tener un puesto realmente seguro en el sector aeroespacial.

Aun así, insiste en que Ickler Manufacturing está más que listo. Después de todo, trabajar para los equipos de NASCAR e Indycar también fue un terreno de prueba para la gerencia de proceso, incluso si nadie lo notó al principio.

El despegue de la industria automotriz a la aeroespacial

La razón de moverse hacia un nuevo mercado es simple: un negocio saludable es uno que esté diversificado, pero NASCAR es un mercado limitado. El sector aeroespacial presenta una oportunidad más amplia, sin mencionar que en la mayoría de los casos hay una ganancia mayor por parte producida, comenta Ickler.

Los contratos aeroespaciales y de defensa también ofrecían la ventaja de una transición orgánica. Rutinas largas de desbaste pesado, radios estrechos, superficies esculpidas, transiciones suaves: todo era normal para Ickler Manufacturing mucho antes del primer prototipo aeroespacial.

Además, el taller también tenía experiencia con materiales como el titanio y el Inconel. Dadas las similitudes en las geometrías de parte y los materiales, el taller ha sido capaz de adaptarse a las realidades de su nuevo espacio competitivo, en su mayoría a su propio ritmo.

En el corazón de esta base tecnológica está un enfoque establecido del mecanizado de alta velocidad en cinco ejes. Ickler dice que en realidad él nunca consideró algo distinto, recordando el tiempo que gastó mirando videos en Internet relacionados con el mecanizado en las pistas, en aviones y en habitaciones de hotel, mientras estaba con un contrato de NASCAR, aunque no realmente conduciendo.

La primera máquina de cinco ejes fue instalada más o menos año y medio después de que él escribió su primer programa CNC. Eso fue a pesar de que el taller ya estaba teniendo éxito con VMCs de tres ejes, con mesas rotativas de cuarto eje y que la necesidad principal era capacidad, no habilidad. Aunque él nunca había programado en cinco ejes, entendió las posibilidades. Lo había visto en YouTube.

Justamente, el primer trabajo pagado para la nueva máquina vino de colocar una imagen de ella en Facebook. Desde entonces, la secuencia para la mayoría de partes ha sido un desbaste inicial seguido de un mecanizado a altas rpm, alto avance, baja profundidad de corte y pasos ligeros con escariadores de nariz tipo bola, progresivamente más pequeños.

Los portaherramientas de ajuste por contracción de Haimer ayudan a asegurar un acceso completo a los cinco lados de las piezas de trabajo, sujetadas por colas de milano de 0.08 pulgadas en fijaciones suministradas por 5th Axis Workholding. Las ventajas de este enfoque van más allá del impacto directo y los efectos asociados de reducir alistamientos. “Incluso si una parte pudiera hacerse en una máquina de tres ejes, una de cinco ejes le permite inclinarse hasta 15 grados”, dice Ickler.

“Cuando usted hace acabado superficial con herramientas de nariz tipo bola, eso deja más que un acabado de espejo”.

Él también dice que la tecnología no vale tanto sin las habilidades para operarla. Por ejemplo, después de unirse al equipo hace poco más de un año, una de las primeras contribuciones de Chris Graham fue desarrollar y solucionar la fijación y la programación necesaria para ajustar un enorme colector de aceite automotriz en la máquina de cinco ejes.

Escalar más alto

Esa clase de programación y fijaciones creativas es crítica para conseguir contratos. Sin embargo, Ickler encontró barreras para nivelar completamente los talentos de sus nuevos programadores; además, el taller necesitaba una segunda máquina de cinco ejes para manejar el trabajo del colector de aceite de más de 100 partes (y trabajos similares) sin exceder sus compromisos.

Al igual que en el caso de la compra de su primer cinco ejes, Ickler decidió priorizar más que la capacidad cuando compró el Okuma MU-5000V, en septiembre de 2016. Adicional a tener una zona de trabajo más grande (recorridos de los ejes X, Y y Z de 31.5 x 41.34 x 23.62 pulgadas versus 30 x 20 x 20 pulgadas), el diseño de doble columna de la máquina evita sobresalientes en el eje Y.

En contraste con la máquina anterior de estructura en C, los programadores deben poner más atención en precisar dónde caen ciertas características de la parte en la zona de trabajo. La nueva máquina también evacúa virutas de forma más eficiente, lo cual es particularmente importante para corridas largas desatendidas.

Aún más importante, la máquina puede retirar más material de forma más rápida en casi cualquier escenario, dice Graham, citando una reducción de aproximadamente del 50 por ciento del tiempo de ciclo para la parte del colector de aceite antes mencionada.

Esos ahorros, de 30 a 14 horas, resultaron por un aumento en la tasa de avance de 75 a 500 ipm. La capacidad auxiliar de tres ejes del taller ha mejorado de forma similar, gracias a la instalación de un VMC Okuma Genos M560V, poco después de la máquina de cinco ejes. “Toda máquina de cinco ejes necesita soporte de tres ejes”, dice Graham sobre las máquinas que manejan una porción significativa del desbaste y la mayoría de operaciones secundarias, tales como la limpieza de los lados de la cola de milano de las partes.

“En realidad, una parte sólo es buena si es buena la última operación”, añade Ickler.

Una tendencia notoria en las inversiones en tecnología de Ickler Manufacturing es comprar más capacidad de la que el taller necesita en ese momento. Por ejemplo, la sierra de banda CNC H-14ª, que ahora corta barras de 14 pulgadas de diámetro a su tamaño, fue comprada antes cuando la mayoría del trabajo consistía en partes menores a 4 pulgadas de diámetro. Ickler lo llama una “tendencia a sobre comprar”, pero entre más habla, se vuelve más evidente que en realidad él no busca inversiones en tecnología de esa forma. Considere su enfoque para las herramientas de corte: “si un escariador cuesta 5 dólares menos que otro, probablemente hay una razón para eso”.

Los resultados hablan por sí solos. “No puedo creer que alguna vez tuvimos que pensar realmente en cortar material en bruto”, hablando sobre la sierra. También está listo con un ejemplo de la herramienta de corte. Recientemente, uno de los cortadores preferidos para varias operaciones de aluminio, un escariador de tres flautas de 0.5 pulgadas de diámetro, de Helical Solutions, con un radio de esquina de 0.03 pulgadas y un filo limpiador, permaneció intacto durante tres meses de rutinas de desbaste en el MU-5000V.

Esta clase de vida de la herramienta se debe en parte a mantener el software Mastercam del taller actualizado, explica Graham. Específicamente, da crédito a las significativas ganancias en las largas rutinas de desbaste y a las actualizaciones continuas de los patrones de herramientas Dynamic Milling del software.

El software está diseñado para asegurar condiciones de corte consistentes al definir estos patrones de herramientas 2D y 3D con más variables que apenas las fronteras del área –por ejemplo, manteniendo una carga de viruta constante al ajustar parámetros en tiempo real–. Más allá de prolongar la vida de la herramienta, el Dynamic Milling permite usar más la flauta sin preocuparse por quemar la herramienta, minimiza la formación de calor y mejora la evacuación de viruta.

Incluso prácticas aparentemente básicas, como indicar partes con sondas en la máquina en lugar de manualmente o mantener los posprocesadores actualizados para evitar movimientos ineficientes, han sido de mayor impacto en una amplia variedad de trabajos de bajo volumen. En todo campo, la tecnología y las estrategias que, alguna vez, apenas mejoraron la competitividad, ahora son consideradas esenciales.

Control de tráfico

En lo que respecta a tratar con las pequeñas cantidades asociadas a los trabajos de prototipos, “lo más grande es planear”, dice Ickler; “mantener la programación antes de las máquinas”. Las estrategias para ese fin incluyen lo siguiente:

Estandarizar el proceso

Para un taller enfocado en el fresado, quizás el mejor ejemplo de la estandarización es la lista de herramientas. Cortadores idénticos en ranuras idénticas del cambiador de herramientas, de máquina a máquina, aseguran que los programadores tengan todo lo que necesitan y ayuda a evitar confusiones. “Hemos creado una línea base de herramientas que sabemos que trabajarán en la mayoría de escenarios”, dice Graham. “No queremos cientos de opciones. Queremos saber lo que tenemos y cómo usarlo en diferentes situaciones”.

Esto también economiza el inventario de herramientas de corte, un beneficio para talleres como Ickler Manufacturing, que generalmente usan cortadores especiales para partes más complejas. En un ejemplo reciente, una parte de Indycar requirió 60 herramientas individuales durante una serie de rutinas simultáneas de contorneado en cinco ejes, y fresado y taladrado en 3+2.

Las herramientas están lejos de ser el único foco de la estandarización. El taller también tiene estándares para parámetros como altura cúspide (0.0001 pulgadas para la mayoría de acabados). Los blancos vienen estándar en longitudes de 12 pies y todos reciben las mismas colas de milano de 0.08 pulgadas, las cuales son sujetadas en las mismas fijaciones siempre que sea posible. Al final, la idea es no sólo fabricar una parte de calidad, sino una parte de Ickler Manufacturing, dice él.

Definir prácticamente todo

La biblioteca de herramientas del software CAM almacena información sobre más cosas que solamente las herramientas de corte. Las entradas también cuentan para longitudes salientes específicas de sujetadores específicos. Incluso más allá de la biblioteca de herramientas, modelar todo componente que pueda jugar un papel en un alistamiento, incluso por debajo del último tornillo de la prensa, ha probado ser crítico para agilizar el proceso de programación.

“Podemos importar cosas fácilmente de máquina a máquina”, dice Graham. “Usted podría programar una rutina de desbaste en unos pocos minutos porque todo está ahí: la fijación, el elevador, el portaherramientas. Algunas veces usted solamente reasocia los patrones de herramienta”.

Construir lecciones en el proceso

El uso del término “reasociar” de Graham no es accidental. Las estrategias de mecanizado pueden transferirse de trabajo a trabajo y, a menudo, aparecen características similares en partes muy diferentes. “Se trata de poner la herramienta de corte correcta en una situación buena donde pueda ser exitosa en una geometría y material en particular”, dice él.

El software CAM moderno hace que sea relativamente fácil almacenar datos de las mejores prácticas para cualquier trabajo futuro que pueda beneficiarse, y ver exactamente lo que pasará incluso antes de que la herramienta toque el metal, dice. Para ese fin, el taller mantiene una base de datos de parámetros que trabajan para cortadores específicos en materiales específicos.

“Para ambos asientos del Mastercam, todo está configurado de la misma forma”, añade Ickler. “Para una nariz de bola de media pulgada en aluminio se conoce el paso de desbaste, la carga de viruta, el avance, las rpm –todo está ahí–. Podríamos afinarlas, pero sabemos que trabaja, sabemos que es seguro”. A partir de ahí, explica, el acabado se vuelve un ejercicio de “seleccionar esquinas” y mantener la rigidez del alistamiento en partes, normalmente, de pared delgada.

Cotizar cuidadosamente

Cualquier taller tiene una capacidad limitada, pero asegurar que un trabajo tenga un buen ajuste es particularmente importante para el trabajo aeroespacial, dice Ickler. Por ejemplo, el taller podría evitar ofertar un trabajo que requiera una cantidad significativa de electroerosionado, un proceso que no tienen y no pueden controlar.

Algunos de tales procesos, particularmente diferentes formas de tratamiento superficial pueden evitarse; aunque incluso, entonces, la meta es siempre completar un trabajo con tan pocas interrupciones como sea posible y evitar la formación de pilas de trabajo potencialmente confusas en algunos procesos.

Debido a que las piezas de trabajo tienden a ser costosas, Ickler generalmente considera si el trabajo merece la oportunidad de comprar material en bruto adicional. De esa forma, el pedido aún puede cumplirse si algo sale mal. La comunicación regular con los clientes y los proveedores también es crítica. ¿Cuál es el tiempo de llegada del material? ¿La dimensión del radio afecta la funcionalidad de la parte? Si no, ¿es realmente necesaria esa tolerancia tan estrecha?

Operación desatendida

La programación y el trabajo de alistamiento es para el turno diurno; las rutinas de mecanizado largas son para el turno nocturno sin personal. El mecanizado, que es lo suficientemente simple pero desatendido, es un área completamente nueva para el taller; Ickler dice que les ha tomado un poco de tiempo acostumbrarse a ello. Añade que casi todas las estrategias mencionadas les han ayudado de diferentes formas.

“Tiene que conocer exactamente de lo que son capaces sus herramientas de corte y todo su equipo”, dice. “¿Cuándo se romperá esa válvula?, ¿a dónde deberían apuntar esas boquillas de refrigerante?, ¿cuánta viruta puede procesar la máquina en la noche?, y ¿cómo y dónde se acumula? Tiene que pensar en todo”.

El compromiso de “pensar en todo” va más allá del mecanizado desatendido. Aunque él es cauto en enfatizar que no se hace ilusiones sobre los retos potenciales que se avecinan, Ickler tiene confianza en que la misma mentalidad que ha llevado al éxito del taller hasta ahora lo continuará haciendo: ya tiene una configuración planeada hasta para 20 máquinas.

Las metas en el plazo más cercano incluyen un laboratorio de calidad dedicado, completo, con un gerente de calidad dedicado, y una máquina de medición por coordenadas, así como la adición de un sistema de planeación de recursos de empresa para administración y rastreo de datos. La llamada “celda” –un área posterior del taller usada para almacenar material en bruto e inventario– ya está casi en el punto en el cual él estaría feliz de invitar a un auditor AS9100. “Realmente sólo necesita una celda material”, afirma.

Como es el caso con el resto de la operación, las herramientas que rodean la documentación y trazabilidad pueden cambiar, pero los cimientos ya están en sitio. “Honestamente, no vamos a estar haciendo las cosas de forma muy diferente”, concluye.