Nuevas tendencias en instrumentos de medición e inspección

“No se puede mejorar lo que no se mide” es una frase que se le atribuye a Peter Drucker. En el contexto de la manufactura y según Tony Schmitz, profesor de la Universidad de Tennessee en su columna “Cómo evaluar la incertidumbre de la medición” —publicada en nuestra revista hermana Modern Machine Shop— esto quiere decir que no se puede aumentar la precisión de las piezas, la tasa de eliminación de material u otras métricas clave de rendimiento si no medimos los resultados y los relacionamos con las condiciones de procesamiento. La metrología, o la ciencia y la aplicación de la medición, es parte integral de esta secuencia de medición y mejora.

Schmitz subraya que la metrología debe considerarse un proceso de manufactura en sí mismo, al igual que el mecanizado, la forja o el tratamiento térmico, ya que añade un valor tangible a los componentes fabricados. Esta actividad no solo responde a las exigencias del cliente en cuanto a tolerancias y acabados superficiales, sino que es crucial para garantizar la confiabilidad funcional de los componentes ensamblados.

En esta misma línea, Udo Jahn, gerente general de Modern Engineering, destaca la necesidad de reconfigurar el control de calidad para mejorar la productividad y reducir los desperdicios. Jahn argumenta que la verificación de piezas es fundamental para documentar la calidad; sin embargo, enfatiza en la necesidad de implementar prácticas que no solo aseguren la calidad, sino que optimicen la productividad y minimicen los desechos.

“Empecemos con máquinas-herramienta que tengan capacidades de medición integradas en el proceso que produzcan documentación junto con máquinas de inspección de alta calidad. Para aumentar la productividad, estas máquinas deben ser fácilmente accesibles para el personal del taller”, indica Jahn.

La importancia de estas prácticas se hace evidente en industrias que dependen de la fabricación de conjuntos complejos, como los automóviles modernos con motor de combustión, que pueden tener alrededor de 15,000 piezas, o los aviones comerciales de gran tamaño, que integran millones de componentes.

En estos entornos, el cumplimiento de estrictas tolerancias de diseño, requisitos de acabado superficial y especificaciones de material resulta esencial y se logra mediante el uso de diversos transductores y equipos de medición, como calibradores, micrómetros, perfilómetros de aguja, máquinas de medición por coordenadas, escáneres de luz estructurada, codificadores rotatorios y termopares, entre otros.

Medición directa e inspección automatizada en procesos de mecanizado

Raúl Barriga, gerente nacional de ventas de Renishaw México, enfatiza que la inspección y medición directa en máquina-herramienta se ha consolidado como una de las prácticas más efectivas dentro del sector de maquinado. La dependencia de la medición e inspección manual de piezas puede tener un impacto adverso en el rendimiento y la rentabilidad del proceso de maquinado, según el experto. En contraste, los sistemas automatizados de medición e inspección de herramientas les permiten a los fabricantes reducir significativamente la cantidad de piezas rechazadas, minimizar el tiempo de inactividad de las máquinas y mejorar la calidad general de los componentes producidos.

Estas soluciones tecnológicas se aplican en diversas fases del proceso, como en la configuración automática de componentes, la medición durante el ciclo de maquinado y la detección de herramientas rotas. Al combinarse con las actualizaciones automáticas de los correctores de herramientas, estas innovaciones facilitan un maquinado altamente confiable, reducen los tiempos de ajuste y optimizan los procesos de control de calidad.

La inspección y medición directa en máquina-herramienta se ha consolidado como una de las prácticas más efectivas dentro del sector de maquinado.

En este contexto, Martín Quintero, gerente regional de ventas de Zeiss, enfatiza que incluso los equipos de mecanizado más precisos del mundo requieren un estricto control de calidad, proceso que sería inviable sin el avance de las tecnologías de medición de última generación. Estas tecnologías permiten evaluar el producto en tiempo real durante cada fase del mecanizado, lo que al habilitar la toma de decisiones precisas y oportunas, evita pérdidas significativas de capital debido a mermas en la producción.

Luis Chávez, director regional en México de Blum Novotest, añade que la industria actual exige mediciones más rápidas y, de ser posible, en tiempo real, para asegurar que los datos obtenidos permitan tomar acciones inmediatas y garantizar que el producto final cumpla con los estándares de calidad. Esta necesidad ha impulsado el desarrollo de palpadores que se desplazan entre puntos a velocidades de hasta 50 m/min, y que realizan el palpado de la pieza a velocidades de entre 2 y 5 m/min, lo cual representa un avance significativo respecto al estándar industrial actual.

Avances clave en la precisión y eficiencia

En respuesta a las crecientes exigencias de la industria, los avances tecnológicos recientes en la medición están transformando radicalmente la precisión y la eficiencia de los procesos de manufactura. Uno de los desarrollos más notables es la integración de sistemas de visión artificial con algoritmos de aprendizaje profundo, lo que ha permitido la creación de sistemas de inspección óptica automatizada.

Estos sistemas, capaces de realizar mediciones sin contacto con una precisión submicrónica, emplean técnicas avanzadas como la fotogrametría y la triangulación láser. Gracias a estas tecnologías se pueden generar modelos 3D de alta fidelidad de las piezas, que facilitan comparaciones en tiempo real con los modelos CAD originales y aseguran una calidad constante en la producción.

Paralelamente, la tecnología de tomografía computarizada industrial (TC) ha registrado mejoras significativas en términos de resolución y velocidad de escaneo. Los nuevos escáneres TC de alta energía, diseñados para penetrar materiales densos como el acero y las aleaciones de titanio, ofrecen la capacidad de inspeccionar geometrías internas complejas. Con una resolución de hasta 5 micrómetros, esta tecnología se ha vuelto particularmente valiosa para la inspección de piezas fabricadas mediante procesos aditivos metálicos, donde la detección de defectos subsuperficiales es crucial.

En la metrología táctil, los sistemas de medición por coordenadas (CMM) han evolucionado mediante la incorporación de sensores multifuncionales. Estos sensores, que combinan palpado mecánico con escaneo láser y visión artificial, permiten alternar entre diferentes modos de medición sin necesidad de recalibración. Esta capacidad híbrida optimiza los tiempos de inspección y amplía la gama de características medibles en una sola configuración, lo que genera una mejora sustancial de la eficiencia en los procesos de control de calidad.

La miniaturización de los sensores, otro avance significativo, ha permitido el desarrollo de sistemas de medición in situ integrados directamente en las máquinas-herramienta. Estos sistemas, al ofrecer la ventaja de realizar mediciones durante el proceso de mecanizado, facilitan la corrección en tiempo real de desviaciones dimensionales y geométricas.

Además, la implementación de redes neuronales para el análisis de datos ha mejorado considerablemente la precisión de las compensaciones automáticas de herramientas y la predicción del desgaste, que contribuyen a la reducción de errores y al aumento de la productividad.

Los avances en interferometría láser han dado lugar a sistemas de medición de longitud absoluta con una incertidumbre expandida de menos de 50 nanómetros sobre distancias de hasta 50 metros. Estos sistemas son cruciales para la calibración de máquinas de gran envergadura y la verificación de tolerancias geométricas en componentes de gran tamaño, como estructuras aeroespaciales o elementos de maquinaria pesada.

Finalmente, la incorporación de tecnologías de realidad aumentada (RA) en los procesos de inspección ha mejorado la interpretación de resultados complejos y la guía visual para operadores menos experimentados. Los sistemas de RA permiten superponer información metrológica y tolerancias directamente sobre la pieza física, lo que al optimizar la eficiencia en la detección de no conformidades y reducir los errores de interpretación, contribuye a una mayor precisión en el control de calidad.

A continuación revisaremos algunos de estos avances en detalle.

Innovaciones en máquinas de medición por coordenadas y su impacto en la producción CNC

Las máquinas de medición por coordenadas (CMM por sus siglas en inglés) han experimentado una evolución significativa en los últimos años, gracias a la incorporación de tecnologías avanzadas que mejoran su versatilidad y precisión en entornos de producción. Un ejemplo destacado es la implementación de sistemas de compensación térmica en tiempo real. Estos sistemas, basados en redes de sensores de fibra óptica distribuidos por toda la estructura de la CMM, permiten mantener la precisión submicrométrica incluso en condiciones ambientales fluctuantes.

Otra innovación relevante es la integración de cabezales multisensor, que combinan palpadores mecánicos, escáneres láser y sensores ópticos confocales en un solo sistema. Esta tecnología, que facilita la medición de características diversas sin necesidad de reconfiguración, optimiza el proceso de inspección. Adicionalmente, los nuevos diseños cinemáticos, como las estructuras hexápodas y los sistemas de guías aeroestáticas de alta rigidez, han mejorado la dinámica de medición y permitido velocidades de escaneo superiores a 500 mm/s sin comprometer la precisión.

• Optimización de la inspección dimensional

Además de los avances en hardware, la implementación de algoritmos de trayectoria adaptativa basados en machine learning ha optimizado automáticamente las rutas de medición, lo que ha reducido los tiempos de inspección hasta en un 40 %. Esta mejora en la eficiencia se complementa con la incorporación de capacidades de medición volumétrica mediante tomografía computarizada integrada. Este avance permite la inspección simultánea de geometrías externas e internas en piezas complejas, como componentes aeroespaciales o moldes de inyección multicavidad.

Estos avances en las MMC no solo han impulsado la eficiencia y precisión en la medición, sino que han tenido un impacto directo en la producción CNC. Según Martín Quintero, gerente regional de ventas de Zeiss, estas innovaciones han sido cruciales para la estandarización y mejora de la calidad en la producción de equipos de mecanizado. La capacidad de las máquinas CNC para ofrecer tolerancias más estrictas asegura que los productos finales satisfagan plenamente las expectativas de los clientes.

Sin embargo, a pesar de estos avances, algunos aspectos del proceso de inspección dimensional aún presentan desafíos. Luis Chávez, director regional de México en Blum Novotest, señala que la inspección de piezas al final del proceso de manufactura, realizada en un cuarto de metrología con una máquina de coordenadas, sigue siendo el método más común para la evaluación dimensional. No obstante, este proceso presenta áreas de mejora importantes.

Por ejemplo, al desmontar la pieza de la sujeción en la máquina CNC debería utilizarse la misma referencia de montaje en la CMM para alinear los puntos de sujeción y datums. Sin embargo, esto ocurre con poca frecuencia, lo que provoca desviaciones en las mediciones. Además, el tiempo requerido para desmontar la pieza, esperar su turno de inspección en la CMM y realizar la inspección misma, a menudo resulta en que la máquina esté inactiva o que se trabaje en otra pieza mientras tanto.

“En algún momento es necesario reprogramar el remontaje y retrabajo de la pieza original, proceso que puede variar entre 2 y 12 horas, según el tamaño, peso, tipo de sujeción y precisión requerida”, comenta Chávez.

En respuesta a estas limitaciones, la medición con sistemas de escaneo se presenta como una alternativa. Para esta medición se puede enviar la pieza a un cuarto de medición similar al mencionado, o bien, medir la pieza dentro de la misma máquina CNC; sin embargo, esta última opción requiere una preparación inicial, como la limpieza de la pieza y, en algunos casos, la aplicación de etiquetas adheribles o una capa de pintura para que el sistema láser obtenga lecturas precisas.

• Capacidades avanzadas de análisis en software de máquinas de medición por coordenadas

De acuerdo con Martín Quintero, gerente regional de ventas de Zeiss, las innovaciones recientes en el software de las máquinas de medición por coordenadas (CMM) han facilitado de manera significativa la estandarización y globalización de la información y los procesos de evaluación. Estas mejoras, que permiten un acceso más eficiente y global a los datos, optimizan la toma de decisiones y el cumplimiento de normativas internacionales, como las actualizaciones de las normas ISO, fundamentales para garantizar la precisión y consistencia en las mediciones.

Entre las mejoras más destacadas se encuentra la capacidad de manejar grandes volúmenes de datos, lo que ha potenciado la conectividad y ha permitido el acceso y análisis de la información desde cualquier ubicación. Esto no solo agiliza la toma de decisiones, sino que habilita a las empresas para responder con mayor rapidez a las demandas del mercado y a cumplir con las exigencias regulatorias internacionales.

El software de las CMM, que ha avanzado notablemente en el análisis automatizado, acelera la evaluación de resultados y la generación de informes detallados. Gracias a los algoritmos avanzados, ahora es posible identificar tendencias y posibles desviaciones con mayor rapidez, para que las empresas actúen de manera preventiva en industrias donde la calidad es una prioridad.

En este contexto, la integración de la inteligencia artificial en el software de medición ha sido una de las innovaciones más transformadoras. Estos sistemas no solo analizan datos actuales, sino que al prever posibles fallos o defectos en el proceso productivo, les permiten a las empresas tomar medidas correctivas anticipadas. Quintero destaca que esta capacidad predictiva, además de marcar un cambio significativo en la industria, contribuye a minimizar el desperdicio, reducir el tiempo de inactividad y mejorar la eficiencia operativa.

Por otra parte, la inteligencia artificial en las CMM revoluciona los procesos de mecanizado CNC mediante una interconexión en tiempo real entre los equipos de medición y los de mecanizado. Esta conexión permite una retroalimentación inmediata que puede activar ajustes automáticos en las máquinas, generar alertas sobre posibles fallos o desviaciones, y posibilitar la toma de decisiones preventivas antes de que se afecte el plan de producción. De esta manera, la inteligencia artificial optimiza no solo el diseño y la planificación de la fabricación, sino la producción y evaluación del producto final.

Luis Chávez, director regional de México en Blum Novotest, complementa esta perspectiva al enfatizar el papel crucial que la inteligencia artificial desempeña en la mitigación de defectos. Chávez explica que, tras obtener el reporte dimensional, la IA compara los valores obtenidos con los valores nominales y sus límites de control, para determinar la necesidad y magnitud de cualquier compensación requerida.

Durante el desarrollo del programa de medición, el software, mediante un algoritmo incorporado, reconoce automáticamente la geometría en cuestión y selecciona las opciones de medición más adecuadas, lo que agiliza las rutinas de medición y las adapta a las geometrías y tolerancias específicas.

La interoperabilidad del software con otros sistemas empresariales también es destacable. La integración fluida con plataformas de gestión de datos de fabricación (MDM) y sistemas de planificación de recursos empresariales (ERP), que proporciona a las organizaciones una visión integral y en tiempo real de sus operaciones, facilita la optimización de los procesos productivos y respalda decisiones basadas en datos precisos.

Finalmente, Chávez ejemplifica cómo sistemas de palpado o sondas, en conjunto con software como FormControl X, de Blum Novotest, ofrecen una solución eficiente para la medición en la industria de moldes. Este sistema permite generar el programa de medición desde una PC conectada a la máquina CNC en producción, equipada con un palpador de piezas.

El software dispone de un posprocesador compatible con los principales controles CNC utilizados en la industria, que permite ejecutar la rutina de medición y enviar los datos a la PC para generar diferentes reportes.

Además, el software, al asociar una característica dimensional con la herramienta que la produjo, posibilita la autocompensación de la herramienta en función del reporte obtenido. Esta función permite optar por el retrabajo inmediato o ajustar la herramienta para el siguiente ciclo de mecanizado, con la posibilidad de integrar un módulo de control estadístico del proceso para evaluar la calidad de la producción a lo largo del tiempo.

Sistemas de retroalimentación táctil y tecnologías sin contacto

En esta área se han producido avances significativos que mejoran la precisión y la experiencia del operador. Los nuevos sistemas hápticos de alta fidelidad les permiten a los técnicos “sentir” virtualmente las superficies y contornos de las piezas mecanizadas, lo que facilita la detección de irregularidades imperceptibles visualmente.

Paralelamente, las tecnologías sin contacto han evolucionado con la introducción de sensores confocales cromáticos de alta velocidad, capaces de medir perfiles y rugosidades superficiales con resoluciones nanométricas sin tocar la pieza. Los sistemas de holografía digital conoscópica se han perfeccionado para permitir la medición tridimensional de características profundas y cavidades estrechas, con el fin de superar las limitaciones de los sistemas ópticos convencionales.

Los nuevos escáneres de luz estructurada con proyección de patrones dinámicos adaptativos logran una adquisición de datos más rápida y precisa en superficies reflectantes o con geometrías complejas, comunes en piezas metálicas mecanizadas. Estas innovaciones, combinadas con algoritmos de procesamiento de señales basados en inteligencia artificial, además de redefinir los límites de la metrología industrial, permiten inspecciones más rápidas, precisas y versátiles.

Raúl Barriga, gerente nacional de ventas de Renishaw, destaca algunas de las innovaciones recientes en el set-up automático de componentes y la medición durante el ciclo en máquina-herramienta CNC. Por ejemplo, la sonda OSP60 SPRINT con tecnología de sensores 3D introduce un avance en velocidad y precisión para el escaneado e inspección en máquinas CNC.

Con capacidad para responder a variaciones en la superficie y detectar movimientos menores a una micra en la punta del palpador, esta sonda captura 1,000 puntos de datos 3D por segundo, lo que la convierte en una herramienta útil para una amplia variedad de aplicaciones industriales.

Sus características, que incluyen la medición rápida de piezas en la que el escaneado ahorra tiempo durante la inspección en máquina y la preparación de trabajos, contribuye a maximizar el tiempo productivo de mecanizado. Así, además de determinar con precisión la forma de la pieza, identifica puntos altos, puntos bajos o realiza una evaluación completa.

Otra característica relevante es el control en proceso, que facilita la captura de resultados de medición directamente en la máquina y permite mantener los procesos bajo control de manera automática. Estos resultados pueden ser exportados para un análisis posterior o para controles de calidad.

La flexibilidad en la inspección es otro aspecto importante de esta tecnología. El escaneado en máquina posibilita aplicaciones de inspección que eran inviables o costosas en términos de tiempo, además de capturar información de los procesos de fabricación con un nivel de detalle superior. Con capacidades en la medición de disparo por contacto 3D y una alta densidad de datos de escaneado 3D a velocidad elevada, la tecnología de inspección de Renishaw permite optimizar los tiempos de ciclo y mejorar el rendimiento de las máquinas-herramienta existentes.

Barriga también menciona los avances en la medición y detección de herramientas rotas en máquinas-herramienta y destaca los sistemas de medición sin contacto NC4, de Renishaw. Estos sistemas, diseñados para detectar herramientas rotas y realizar mediciones con alta precisión y velocidad, son aplicables en máquinas de diversos tipos y tamaños. Al abordar la necesidad de mantener la precisión dimensional en los procesos de mecanizado, gestionan variables como la desviación en el tamaño de la herramienta, el run-out y la rotura de herramientas, factores que pueden afectar los resultados finales.

Los sistemas NC4, de Renishaw, que contribuyen a reducir el desgaste excesivo y minimizar el riesgo de rotura de herramientas, son especialmente útiles para herramientas pequeñas y frágiles. Además, los sistemas fijos NC4+ Blue, que incorporan tecnología láser azul y ópticas mejoradas, operan con distancias de trabajo de hasta 240 mm e incrementan la precisión en la medición de herramientas a fin de asegurar el cumplimiento de los estándares del sector.

El diseño compacto de los sistemas NC4 permite su uso en máquinas con espacio limitado, gracias a un sistema electrónico miniaturizado y un sistema de protección que no requiere un obturador voluminoso. La instalación de los sistemas NC4+ Blue es facilitada por su conector y opciones de montaje versátiles, lo que permite una integración rápida y sencilla, incluso en máquinas que ya están operativas.

Finalmente, los sistemas NC4 incluyen un sistema de protección ambiental patentado que asegura la integridad de las ópticas de precisión durante su uso. Este sistema integra un soplado de aire que garantiza la precisión y fiabilidad en la medición de herramientas, además de mantener los estándares de calidad requeridos en los procesos de mecanizado.

Integración y retorno de inversión en sistemas de medición

Luis Chávez, por su parte, explica que la integración de sistemas de medición por palpado es altamente flexible, siendo posible su implementación en 9 de cada 10 máquinas en la mayoría de los casos; sin embargo, hay excepciones, especialmente cuando se trata de controles antiguos o muy específicos. Aun así, en el sector de moldes y troqueles, la integración con los controles más populares y dominantes es ampliamente factible.

Chávez subraya la importancia de la evolución tecnológica en la inspección industrial y señala que la fusión de datos provenientes de múltiples equipos de inspección es una herramienta prometedora para crear modelos más completos y precisos. Esto resulta especialmente relevante en la inspección de objetos grandes o con geometrías complejas. La incorporación de inspección en 3D ya representa un avance significativo, y el uso de diferentes equipos y etapas de medición en el proceso contribuye a un control más riguroso, tanto en la producción como en la certificación previa a la entrega, puesto que mejora la exactitud y eficiencia, aspectos continuamente demandados por los usuarios finales.

Al discutir los desafíos técnicos asociados a la integración de nuevas tecnologías de inspección en líneas de producción existentes, Chávez identifica varios factores clave. Entre ellos, la selección y entrenamiento del personal, la rotación de empleados capacitados, la transferencia de conocimiento del líder hacia su equipo y la actualización de sistemas o la incorporación de nuevos productos en la producción. Para superar estos desafíos, Chávez recomienda mantener una comunicación directa y constante con el proveedor, lo que facilita la adaptación a las nuevas tecnologías.

Finalmente, Chávez aborda el tema del retorno de inversión (ROI) de los sistemas de medición por palpado y el software asociado. Señala que el ROI puede variar según el tamaño, la complejidad, el tiempo, la cantidad de producción, la precisión y el valor de venta del producto final, así como los costos asociados a la producción. En general, se observa que el ROI para estos sistemas puede oscilar entre los tres y nueve meses.

Para calcularlo, Chávez sugiere sumar los costos anuales relacionados con el tiempo de mecanizado, horas de retrabajo, desechos, horas extras, electricidad, mano de obra y herramientas de corte, y compararlos con la inversión anual requerida, que incluye los equipos de medición, instalación, capacitación y seguimiento posventa. Al dividir el monto de inversión anual entre los costos anuales, se obtiene la fracción del año en que se alcanza el punto de equilibrio y, por ende, el ROI.