Rectificado de superficies CNC en la manufactura de moldes

La historia corta aquí es que un muy buen taller ha hecho indispensable el rectificado de superficies CNC en su operación de fabricación de moldes. Quizás solamente eso es una buena noticia, porque apenas pocos fabricantes de herramientas sienten que pueden justificar la inversión de poner una rectificadora CNC en el taller. Pero hay mucho más que eso.

El punto clave es que este taller fabrica moldes de inyección de plásticos en un ambiente de producción, si bien todavía los fabrica en su mayoría uno a la vez. Hace mucho pasaron los días en que “hecho a mano” era sinónimo de calidad. Esta es una fábrica donde reina el control de la producción medible y repetible; además, ellos buscan eliminar continuamente las fuentes identificables de variabilidad de proceso, con la seguridad que pudieran destruir partes por millones.

El taller es Tech Mold, Inc., en Tempe, Arizona. Y los moldes multicavidad que manufacturan se usan en algunas de las aplicaciones de moldeado de más alta precisión que se encuentran en el mundo, lo cual es, en gran parte, la razón por la cual el rectificado CNC tiene tanto sentido aquí. Tech Mold debe entregar a menudo precisiones de dos “décimas” (0.0002 pulgadas) en sus herramientas, para dar la consistencia en el proceso de moldeado que requieren sus clientes. Pero también hay otros beneficios innegables para el rectificado CNC.

Aquí se presenta cómo trabaja Tech Mold con sus rectificadoras CNC, y cómo hacen ellos para que esas máquinas trabajen para su negocio.

¿Por qué el rectificado CNC de moldes?

Usted puede comprar una rectificadora de superficie convencional de tamaño mediano por cerca de $35,000. Una rectificadora CNC puede costar tres veces eso. Así que, ¿cómo puede hacer un taller de herramientas que manufactura a pedido justificar el CNC en consideración a una simple automatización del rectificado?

Como lo explica el presidente de Tech Mold, Bill Kushmaul, el asunto no es tanto acelerar el proceso de rectificado o reducir mano de obra, aunque el CNC de hecho tiene ese efecto neto. El quid del asunto es que el CNC permite a Tech Mold lograr un nivel extremadamente alto de consistencia del proceso de rectificado – y en tolerancias muy finas – que ellos simplemente no serían capaces de lograr con el rectificado manual. 

Esta consistencia es crítica para los exigentes clientes de Tech Mold. La especialidad del taller es producir moldes multicavidad de extrema precisión. Gran parte de su trabajo va a moldeadores de empaque alrededor del mundo, que suministran tapas, botellas y aplicadores para una amplia variedad de bienes de consumo – productos que se venden por millones.

Estas partes plásticas son llenadas, selladas y/o ensambladas en máquinas de extremadamente alta velocidad, las cuales requieren que las tolerancias, similares a las del mecanizado, salgan del proceso de moldeado. 

Un buen ejemplo que cita el señor Kushmaul es la botella y la tapa de seguridad para un aliviador de dolor sin prescripción médica. Para obtener la consistencia necesaria para estas partes, se requiere que el moldeador mantenga tolerancias de 4 milésimas (0.004 pulgadas) en algunas características del molde de la botella y de 3 milésimas en la tapa. Y, él dice que “ellos tienen que ser capaces de producir millones de tapas sin errores”.

En este caso, Tech Mold entregó herramientas que mantenían consistentemente el proceso final de moldeado hasta un Cpk de 2 o mejor. Otro ejemplo es el herramental que Tech Mold hizo para las partes plásticas que van en un mecanismo de bomba para spray.

Esas partes se unen en un sistema automatizado que genera más de 500 ensambles por minuto. Mantener la consistencia dimensional de esas partes es crítico, así como extremadamente retador para el fabricante de herramientas cuando debe entregar esa consistencia en al menos 64 cavidades individuales.

Según Kushmaul, mantener consistentemente una milésima en una parte plástica significa que se debe mantener una “décima” en el molde. (También significa que usted tiene que saber bastante sobre cómo diseñar partes plásticas y sus procesos de moldeado, pero esa es otra historia). Esta es la clase de trabajo que pone a Tech Mold entre las empresas élite del mundo en diseño y manufactura de herramental.

Así es que Tech Mold necesita mantener niveles muy altos de precisión en sus procesos de metalmecánica para hacer sus herramientas. Es por eso, que el taller se volvió experto en electroerosionado de penetración de precisión y hoy emplea el mecanizado de alta velocidad para la fabricación de electrodos, de modo que las precisiones de la máquina no necesitan afectarse por el acabado manual. Más aun, a Tech Mold no le extraña el rectificado 3D CNC.

Hace algún tiempo ellos concibieron cómo rectificar en centros de mecanizado, y ahora rectifican por penetración, rutinariamente, algunas partes en una máquina Matsuura. Ellos también tienen una rectificadora por coordenadas de tres ejes completos Moore, que se usa para trabajos 3D muy precisos.

Sin embargo, la necesidad del sit probablemente no es tan aparente en la mente de muchos fabricantes de herramental. Normalmente, no se pueden obtener características en cavidades con una rectificadora de superficie, la cual por supuesto es una razón por la que las rectificadoras de superficie CNC entraron un poco tarde al escenario de la manufactura. Pero hay gran cantidad de superficies externas de insertos por rectificar, particularmente en los bloques que Tech Mold usa en la mayoría de herramientas de múltiples cavidades.

Mantener la precisión en el interior de núcleos y cavidades en la herramienta completa significa que cada bloque individual tiene que estar posicionado y alineado con precisión en su asiento. Eso requiere que las superficies externas del bloque estén tan planas y cuadradas como sea posible, así como posicionadas con mucha precisión en relación con las ubicaciones del núcleo y la cavidad.

La consciencia de traer el rectificado CNC a estas características planas críticas fue clara un día que Kushmaul estaba hablando con uno de los técnicos de rectificado manual más hábiles de Tech Mold, quien en pocas palabras lo puso todo en perspectiva.

Él dijo: “He estado en este negocio durante 40 años y aún sigo escuadrando bloques. Bill, eso es estúpido”. Y cuando Kushmaul lo pensó, estuvo de acuerdo. Se estaban consumiendo demasiados recursos preciosos – la habilidad del mecánico – en una de las operaciones más básicas simplemente porque no estaban usando la mejor herramienta para el trabajo.

Más aún, esas superficies externas de insertos son, de muchas formas, tan críticas como las características 3D dentro de la cavidad. Al final, son un componente integral de la estructura de tolerancias general de una herramienta de precisión. Y los procesos que generan esas características son una parte grande del sistema de manufactura general para construir una herramienta de precisión. Si el CNC estaba justificado para todas las otras operaciones de mecanizado del taller, ¿por qué no para las características planas también?

Así que Tech Mold adquirió su primera rectificadora de superficies CNC en 1993 de Okamoto (Buffalo Grove, Illinois) y desde entonces ha comprado tres más. Además de escuadrar bloques, las rectificadoras se usan para generar características planas y con forma en la parte superior de los insertos de moldes, con precisiones que eran difíciles de lograr mediante procesos alternativos. En consistencia con la idea original, ellas son parte de un sistema de manufactura integrado que cubre una amplia gama de procesos.

Ubicación de la pieza de trabajo

Cualquier agente que haga bien su trabajo le dirá que los tres factores más importantes en inmobiliaria son la ubicación, la ubicación y la ubicación. Estos también son muy importantes en el taller de Bill Kushmaul –en la fabricación de electrodos, en el electroerosionado y en el proceso de rectificado final–. El punto crítico aquí es que una vez la referencia de ubicación está establecida en una pieza de trabajo, no se pierda esa referencia hasta que se complete la parte, sin importar a través de qué proceso pase.

La plataforma sobre la cual se aplica ese concepto en Tech Mold es un sistema de herramental integrado de System 3R (Fairfield, New Jersey). Diseñado originalmente para la fabricación de electrodos, el sistema es similar en esencia al sistema de pallets que se usaría en un centro de mecanizado. Incluye un receptor que está montado permanentemente en la máquina-herramienta y un sujetador que se fija a la pieza de trabajo durante su ciclo de manufactura.

En una operación típica de fabricación de electrodos, los receptores se montan tanto en la mesa de una fresadora de grafito como en el carnero de una electroerosionadora de penetración. De esta forma, el electrodo puede mecanizarse y luego transferirse a la electroerosionadora mientras se mantiene la referencia de ubicación inicial en el rango de repetibilidad del sistema de herramental, el cual es de aproximadamente 50 millonésimas de pulgada.

Tech Mold había estado usando esta tecnología durante años, de modo que fue una extensión natural tomar el mismo enfoque en su operación de rectificado de bloques de insertos.

“El punto”, dice el señor Kushmaul, “es dejar una fundación cuadrada, paralela y centrada, y luego todo el resto del proceso fluye desde aquí”. Y así es que Tech Mold “paletiza” los bloques de insertos desde el comienzo, antes de rectificar, y luego construye sistemáticamente a partir de esa base. Curiosamente, ellos intentaron primero rectificar los bloques y luego montarlos en sus portaherramientas, pensando que las superficies rectificadas ciertamente proveerían una referencia adecuada para los procesos aguas abajo. Y quizás para la mayoría de talleres eso sería adecuado; al menos cuando tuvieran que ubicar dentro de 3 “décimas”.

Pero dados los requerimientos del trabajo de Tech Mold, ellos tenían que hacerlo mejor, y encontraron rápidamente que comenzar los insertos en los sujetadores entregaba los mejores resultados.

El sistema de herramental es particularmente importante para la operación de escuadra porque los cuatro lados de los bloques se rectifican en un solo ciclo. Esto se logra montando un indexador horizontal de precisión en la mesa de la rectificadora de superficies, y montando el centro muerto de un receptor en la mesa indexadora.

Entonces, una vez el bloque del inserto es montado en el sujetador – un proceso que no requiere un nivel especial de precisión – está listo para el rectificado. Se rectifica el lado uno, se indexa el bloque, luego se rectifica el lado dos, se indexa el bloque, y así se continúa hasta que se terminan los cuatro lados. Con este proceso, los bloques están consistentemente paralelos y a escuadra en una décima.

Pero Tech Mold hace mucho más con una rectificadora de superficies CNC que apenas generar buenos rectángulos. Un gran número de formas diferentes se rectifican con alta precisión, algunas de las cuales realmente no pueden hacerse de otra forma. Un buen ejemplo son algunos de los ángulos compuestos en las válvulas de corte, pero también se generan otras variadas características. Algunas de esas partes se muestran en las páginas siguientes.

Implementación de tecnología CNC

Aunque toda esta charla de implementar el rectificado CNC suena suficientemente fácil después de todo, nunca pareció así al principio. Más aún, el proceso completo de introducir nueva tecnología al taller puede ser una experiencia dolorosa para muchas compañías. Romper los hábitos de la vieja forma de hacer las cosas es duro, sin mencionar el dominio de la nueva metodología.

La gerencia de Tech Mold reconoce el trauma que la nueva tecnología puede infligir al ambiente del taller, pero la persigue continuamente. Más aun, ellos van más allá para hacer los nuevos métodos no sólo “comprensibles” para los trabajadores del taller, sino más productivos que los estándares convencionales para la tecnología. O puesto de otra forma, la máxima de Kushmaul es que, si un taller está usando la tecnología solamente de la forma en que todo el mundo lo hace, no provee ninguna ventaja estratégica. Cualquiera puede comprar las máquinas. Tech Mold debe aplicar la tecnología en formas que sólo otros pocos fabricantes de moldes pueden, si la compañía quiere mantener su ventaja competitiva en el mercado variable de hoy.

Imaginarse cómo rectificar en un centro de mecanizado es sólo un ejemplo. Sin embargo, en el caso de introducir una tecnología completamente nueva como el rectificado de superficies CNC, se requiere un esfuerzo más concertado. El enfoque de Tech Mold comienza citando a un “campeón de la tecnología”, cuyo trabajo es primero investigar el nuevo proceso, y luego entender cómo implementarla mejor en la estructura general del taller. Mark Paige fue el “campeón de la tecnología” para el rectificado de superficies CNC, y así fue esencial tanto en la selección del equipo como en trabajar en los arreglos para la sujeción de trabajos, así como en otros componentes críticos del proceso de rectificado.

Uno de los interrogantes más grandes era cómo manejar la programación CN. En aras de la flexibilidad, ellos querían ser capaces de programar en el taller, pero no querían tomar una cantidad excesiva de tiempo del operario haciendo esto. Y considerando que nadie en el taller había programado antes una rectificadora, enredarse en códigos G era un problema legítimo.

El señor Paige resolvió el asunto automatizando la mayoría de la programación mediante el uso de macro rutinas paramétricas. Así es que trabaja: mientras los insertos para cada molde son diferentes de aquellos de cualquier otro molde, hay un alto grado de características comunes entre muchas de las que se deben rectificar. Las formas son similares; son sólo las dimensiones de esas formas que difieren de trabajo a trabajo.

Por ejemplo, todos los bloques de insertos son rectangulares en forma; es sólo su longitud, ancho y profundidad específicos que distinguen uno del otro. Así que lo que el señor Paige ha hecho es escribir cierto número de programas genéricos de parte (macros) para rectificar características comunes de las piezas de trabajo.

Luego, cuando es la hora de usar el programa, el operario sólo ingresa las dimensiones específicas de una característica y el programa se “dimensiona” automáticamente a la parte (paramétrico). Como lo explica Kushmaul, para hacer programación, todo lo que el operario tiene que hacer es “juntar dos piezas de información y soltarlo”.

Eliminar la variabilidad en equipo y personal

El método de programación es extremadamente eficiente, pero aún más importante, es extremadamente confiable. De muchas formas esto representa el enfoque completo de Tech Mold hacia la manufactura: sistematizar todas las tareas redundantes que se puedan, de modo que sean siempre ejecutadas por la misma metodología.

Ese es el secreto para manufacturar consistentemente a los más altos estándares de calidad. Realmente no es diferente al enfoque que toman los productores de altos volúmenes, nacido en el control estadístico de proceso para identificar todas las fuentes de variabilidad en el proceso de manufactura y eliminarlas siempre que sea posible.

Según Kushmaul, hay dos fuentes principales de variación en un taller de máquinas: equipo y personal. Aunque los mecánicos de Tech Mold son muy buenos en lo que hacen, confiar procesos repetitivos a las habilidades manuales es pedir más variación de la que ellos pueden permitirse. Esto no es para decir que su mejor rectificado manual no pueda a menudo igualar el de las máquinas CNC si se toma el tiempo. Pero es extraordinariamente difícil para cualquiera entregar ese nivel de desempeño día tras día. La gente menos habilidosa no tiene el chance.

Sin embargo, con el proceso de rectificado CNC ellos no sólo pueden mantener altos niveles de tolerancia consistentemente; también pueden cuantificar el rango de variabilidad de modo que conocen de primera mano lo que el proceso es capaz y no es capaz de hacer todo el tiempo.

Con ese fin, Tech Mold se toma la inspección de sus máquinas-herramienta tan seriamente como la inspección de sus partes. Ellos monitorean continuamente la salida de procesos críticos para verificar fuentes atribuibles de variación de proceso, y periódicamente calibran con láser las máquinas. Esos esfuerzos se unen a un régimen de mantenimiento planeado de equipos disciplinado.

Así que, ¿cuál es la verdadera historia aquí? Quizás sea esta. Incluso en un ambiente de manufactura personalizado, empoderar la gente para que haga lo que mejor hace – estar informado, ser flexible, adaptable, innovador. Guarde lo que usted quiera que sea variable para la gente, y deje la consistencia a las máquinas.