La Sopa a Nueces de Troqueles y Moldes

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

A pesar del título de este artículo, está lejos de ser una inmersión exhaustiva en la fabricación de herramientas. Eso requeriría muchos 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 formas tridimensionales complejas que se encuentran en los moldes de inyección de plástico, así como una guía sobre el software necesario para diseñar, simular y optimizar estos ensamblajes sofisticados.

Además, gran parte de lo que se describe aquí se aplica igualmente a otras aplicaciones de fabricación de herramientas, como los troqueles de estampado que se usan para formar paneles de carrocería de automóviles o los moldes para el empaque termoformado que mantuvo caliente su comida 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 médica. La pregunta entonces es: ¿Qué tiene de especial el trabajo con moldes y matrices?

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, han estado en la compañía 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 con la complejidad.

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

Sin embargo, como señaló Ward, la producción de 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. "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 solo mejora la vida útil de la herramienta y el acabado de la superficie, sino que también aumenta significativamente la eliminación de metal. tarifas".

Están hablando de centros de mecanizado CNC de cinco ejes, tecnología que está cambiando la forma en que los 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 continúa ofreciendo automatización en forma de robótica integrada y sistemas de cambio de tarimas. Riendo, Ward señaló: "Visitamos muchas tiendas y hay tres tendencias principales en este momento: cinco ejes, cinco ejes y automatización".

Mecanizar en una fresadora de tres ejes significa que el cortador siempre está orientado en forma perpendicular a la pieza de trabajo, señaló Ward. Esto está bien para taladrado, fresado frontal y otras operaciones de mecanizado comunes, pero con las cavidades del molde, que normalmente se mecanizan con fresas de punta esférica, la punta de la herramienta suele hacer gran parte del corte. Desafortunadamente, las velocidades de la superficie se aproximan a cero cuanto más se acerca a este "punto nulo", lo que reduce en gran medida las tasas de remoción de metal.

"Ahora, si puede inclinar esa fresa en ángulo como con una máquina de cinco ejes, está 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 bloquear la herramienta, elimina la vibración y puede avanzar mucho más agresivamente. Son beneficios como estos los que están haciendo que los centros de mecanizado de cinco ejes la máquina herramienta preferida en muchos talleres de troqueles y moldes. Son el único camino a seguir, sin importar el tamaño del trabajo que esté haciendo".

Irónicamente, los cinco ejes están comenzando a reducir la necesidad de unidades de punta esférica. Ward y Shafer estuvieron de acuerdo en que, cuando no hablan sobre "cinco ejes, cinco ejes y automatización" con sus clientes, están respondiendo preguntas sobre el corte de segmentos circulares, también conocido como fresado en barril. 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 el GP1LB, GF2T, GF3L y GS4TN. Las aplicaciones sugeridas incluyen troqueles de estampado, fundición a presión y moldes de inyección de plástico, blisks, impulsores y álabes de turbina, 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 esos cortadores, tienen canales que contienen uno o más segmentos de arco rectificados con precisión mucho más grandes que los de una fresa de extremo de bola de tamaño comparable. Esto permite mayores reducciones en las paredes de la cavidad del molde y, en el caso de cortadores de barril tipo "lente", mayores reducciones 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 barriles, 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 mecanice actualmente con una fresa de punta esférica es probablemente candidata para el fresado en barril cónico. El truco es encontrar la herramienta correcta y luego generar la trayectoria correcta. "Está lejos de ser una talla única para todos", advirtió Sato. "Por ejemplo, hicimos nuestros radios más pequeños que algunos de nuestros competidores para abordar las necesidades de los fabricantes de moldes. Un radio más pequeño reduce la presión de la herramienta y la posibilidad de vibraciones, por lo que es una mejor opción para los materiales duros que se usan en esta industria".

Qué herramienta es la más adecuada para la aplicación depende en última instancia del programador, agregó, una afirmación con la que Jesse Trinque está de acuerdo. Ingeniero de ventas y aplicaciones de CNC Software LLC, con sede en Tolland, Conn., creadores 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, los cortadores de barril son más efectivos en superficies sin un gran cambio en la curvatura en relación con su tamaño, dijo. "Entonces, 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, menos en uno con ondas".

Eso 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 otorga a los cortadores de segmento circular 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 realmente solo tenga un conocimiento sólido de las técnicas de programación de cinco ejes antes de dar ese paso", agregó Trinque. "No quieres correr antes de aprender a caminar. Las herramientas de 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 diversos estilos de centros de mecanizado de cinco ejes. Dependiendo del fabricante, estos 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.

"Sea lo que sea 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 herramientas de segmentos circulares. También lo hacen 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 se apresura a señalar Hanno Van Raalte, 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 más, la capacidad de responder rápidamente a los cambios tardíos se está volviendo de vital importancia, y un gemelo digital del diseño de plástico, el molde e incluso el proceso de moldeado brinda una gran ventaja", dijo.

Van Raalte es gerente de producto de Moldflow, una herramienta de software que Autodesk, con sede en San Francisco, California, describe como "simulación de inyección de plástico y moldeo por compresión para diseño y fabricación". Con él, señaló, los fabricantes de herramientas pueden simular el proceso de moldeo 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 grosor correcto? ¿Existen características que interfieran con la expulsión de piezas o provoquen deformaciones? Moldflow permite a los usuarios analizar para 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".

El gerente comercial de simulación de Autodesk, Mark Hennebicque, señaló que la moldeabilidad es solo el punto de partida. Al construir un gemelo digital al principio del proceso, los fabricantes de moldes pueden realizar simulaciones FEA de flujo de material y características térmicas y luego usar esta información para optimizar el diseño de la herramienta. Luego pueden instalar el molde virtual en un gemelo del equipo de moldeo y determinar la mejor configuración para las presiones de inyección y la temperatura del material. Hacerlo reduce el tiempo del ciclo y, por lo tanto, el costo, al mismo tiempo que ayuda a eliminar problemas comunes como el flash, el hundimiento y la variabilidad dimensional.

Este último problema es un problema común en toda la industria, dijo Hennebicque. "Los fabricantes de moldes siempre buscan mejorar la precisión y los costos, pero dado que 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 después del hecho de que debería haberse tenido en cuenta antes".

Independientemente, 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 accidente seis meses después y el taller necesita volver a trabajar en una cavidad del molde o producir una nueva inserción, no hay necesidad de reinventar la rueda. “Todo lo que necesitan para reproducir la herramienta original está contenido dentro del 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 twin se está convirtiendo rápidamente en una herramienta imprescindible para muchos fabricantes".

David Hill de Hexagon Manufacturing Intelligence ofrece prácticamente el mismo consejo con respecto a los gemelos digitales. El director de Operaciones Comerciales de la compañía en Canadá, le dirá que Hexagon, con sede en North Kingstown, RI, ofrece herramientas de diseño e ingeniería competitivas, y alienta a quienes se encuentran en la fabricación de moldes y otras industrias a aprovechar sus inmensas capacidades. Pero para este artículo, Hill discutió otro componente crítico de la fabricación de moldes y matrices: la metrología.

"Estoy totalmente de acuerdo con las afirmaciones hechas anteriormente sobre los avances recientes en simulación de productos y CAM y análisis de moldeo, 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 el escaneo en la máquina eliminan los viajes regulares a la sala de inspección, lo que mejora los niveles generales de efectividad del equipo y reduce la posibilidad de que se deseche una pieza debido a errores de mecanizado. Estos beneficios son significativos 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 troqueles de formación, validarlo en la máquina puede ser la diferencia entre pérdidas y ganancias.

Las sondas de contacto montadas en husillo no son nada nuevo. Incluso el escaneo láser y de 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 ofrece Hexagon y otros. Esto permite que los fabricantes de herramientas y los ingenieros comparen los valores dimensionales en proceso con el archivo CAD, analicen la recuperación elástica, verifiquen los datos principales para formar con los mejores ajustes y resuelvan las áreas de interés, eliminando los costosos recortes y la no conformidad.

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 el logotipo de quién esté pegado a la lámina de metal. ¿Bien?

Tal vez sea así, pero como señaló Hill, las máquinas herramienta de gama alta de hoy en día son bastante precisas para muchas funciones de medición, sin importar el hecho de que los sistemas de luz estructurada y láser portátiles (como el HP-L-10.10 de la empresa, el escáner láser AS1 y los sistemas de luz estructurada Light Systems) puede acercarse a niveles de precisión de 5 micras.

"Por supuesto, la metrología portátil y en la máquina nunca reemplazará verdaderamente a la CMM [máquina de medición por coordenadas], pero muchos en esta industria están descubriendo que estas tecnologías les brindan una ventaja competitiva", dijo Hill. "Se presta bastante bien a la ingeniería inversa, la inspección de componentes, el 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 crítico en la fabricación, y aunque odio use un cliché, estas soluciones están cambiando el juego".

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