Una celda automatizada produce soldaduras láser que no requieren ni pulido.Quienes no estén familiarizados con las láminas de metal echarían un vistazo a las cajas eléctricas producidas en las instalaciones de nVent HOFFMAN en Anoka, Minnesota, y no pensarían en ellas.Son cajas de chapa (ver Figura 1), y una línea automatizada las produjo.¿Así que lo que?Son productos simples.Si la producción no estuviera tan automatizada, las cajas se fabricarían solo en países con mano de obra barata, ¿no?La realidad no es tan simple, y tampoco lo son esos armarios eléctricos.En un video promocional en YouTube, la cámara hace zoom en la esquina inferior de un gabinete después de soldar.Obviamente es una soldadura láser y la uniformidad es asombrosa.Ciertamente no necesita moler o pulir.Los veteranos del taller de hojalatería esperarían ver evidencia de una muesca en la esquina inferior, dando el espacio libre necesario para que las dos bridas se plieguen.El borde entre los dos lados de la caja parece bastante común (aunque sigue siendo inquietantemente perfecto).Las uniones tienen una configuración de media superposición que se usa en muchos gabinetes de láminas de metal.Pero las esquinas inferiores se ven extrañas.No hay ningún signo revelador de una muesca.Por qué esto tiene que ver con cómo está diseñado el recinto.La esquina consta de una lámina final (gris claro en la Figura 2) acoplada al borde de otra lámina (gris oscuro en la Figura 2) doblada a 90 grados para crear una junta de soldadura de esquina superpuesta a la mitad.Y debido a que se trata de una junta de media superposición (y no de superposición total), los radios de las esquinas de la lámina final no deben coincidir con el radio exterior del pliegue, sino con el radio en o cerca del eje neutral del pliegue, cerca de la mitad del espesor de la lámina.Teniendo en cuenta lo delgadas que son estas láminas de acero al carbono, algunas son de 14 ga.y otros son de calibre 16. Este requisito deja extraordinariamente poco margen de error.Tal precisión (junto con una fijación sofisticada) permite que un láser suelde de forma autógena, con el baño de fusión fluyendo para crear esa esquina perfecta, sin necesidad de esmerilar o pulir después de la soldadura.La línea automatizada puede, según los tamaños de las cajas producidas en un día determinado, producir casi 1000 de estas cajas en dos turnos.La fábrica no hace cajas simples.Por el contrario, esta aplicación exhibe un trabajo de chapa de precisión en su máxima expresión, lo que ejemplifica lo lejos que ha llegado la industria de la chapa.Cuando Nick Johnson, gerente senior de ingeniería de fabricación de nVent, comenzó a trabajar en la fábrica de Anoka en 2014, ingresó a una instalación llena de sistemas independientes de corte por láser, punzonadoras, combinaciones de punzonadoras/láser, filas de prensas plegadoras y celdas de soldadura.Debido a que la fábrica tenía su propio departamento de diseño de máquinas, la instalación tenía una buena cantidad de automatización local.Por ejemplo, el departamento diseñó una soldadora de pernos automatizada montada en un pórtico que podía programarse para colocar los pernos necesarios en los paneles del recinto.También desarrolló un sistema de granulado automatizado para pulir grandes recintos de acero inoxidable.No es una simple máquina de desbarbado y granulado de partes planas, el sistema puede pulir los recintos formados y soldados, las esquinas y todo, hasta el acabado requerido.Aún así, 2014 representó una especie de punto de inflexión en la fábrica de Anoka.Muchos de sus hábiles operadores de plegadoras y soldadores estaban cerca de la edad de jubilación, y los gerentes sabían que esas habilidades serían difíciles de reemplazar.“En ese momento teníamos casi 60 puestos que simplemente no podíamos cubrir”, dijo Johnson.“Así que buscamos la automatización no para eliminar el número de empleados, sino solo para poder fabricar productos que satisfagan las demandas de nuestros clientes”.Agregó que esas demandas requerían que la fábrica produjera más gabinetes en menos tiempo, es decir, mayor rendimiento.Al mismo tiempo, la empresa continuó su búsqueda para mejorar la ergonomía y la eficiencia de los trabajadores.Todo esto, dijo Johnson, llevó a la fábrica hacia una mayor automatización.Figura 1 Este gabinete eléctrico montado en la pared puede parecer bastante simple, pero es todo lo contrario.La precisión requerida se aproxima a las tolerancias del nivel de mecanizado.La instalación de Anoka produce una variedad de tamaños de gabinetes.Algunos modelos de gabinetes se miden en pulgadas, mientras que otros pueden tener hasta 8 pies de alto y 10 pies de ancho, con múltiples puertas de acceso.Por supuesto, no todos los productos eran adecuados para la automatización, pero algunos mostraron potencial, incluidos los gabinetes montados en la pared de HOFFMAN.Estas familias de productos aún involucraban una variedad de geometrías, con dimensiones que van desde 12 por 12 por 6 pulgadas hasta 42 por 42 por 16 pulgadas, y espesores de lámina que van desde 16 a 14 ga.Pero la tecnología de fabricación flexible había recorrido un largo camino en los últimos años.¿Podría automatizarse la producción de estos productos y, de ser así, cómo?Un equipo dirigido por Travis Dahlstrom, vicepresidente de ingeniería de nVent, comenzó a encontrar respuestas a estas preguntas, primero analizando el estado actual de la producción.Para sorpresa de nadie, la soldadura (incluida la soldadura manual por arco metálico con gas), el esmerilado y el pulido siguieron siendo los mayores cuellos de botella de la línea.“Las chispas voladoras pueden ser excelentes imágenes”, dijo Dahlstrom, “pero es una operación que no agrega valor en absoluto”.La molienda generalmente se considera una tarea necesaria, por supuesto, pero en las primeras etapas de su análisis, Dahlstrom y su equipo hicieron una pregunta conmovedora: ¿Qué hace que la molienda sea necesaria?Es el proceso de soldadura, específicamente la soldadura por arco metálico con gas.El equipo descubrió que incluso el GMAW robótico no podía eliminar todo el esmerilado.En este punto, la soldadura láser entró en escena.El equipo descubrió que la soldadura por conducción de calor podía hacer una soldadura de esquina casi perfecta.El proceso utiliza un haz desenfocado (el foco del haz está ligeramente por encima de la junta) para inducir un baño de fusión que fluye de tal manera que crea una soldadura estructural y estéticamente perfecta.Sin embargo, eliminar el esmerilado y el pulido no era el único objetivo.La empresa también quería aumentar la utilización de material en la anidación.El diseño tradicional en forma de cruz de una sola pieza ayudó a minimizar el tiempo de soldadura, pero la soldadura láser cambió la situación por completo.La soldadura láser no requirió esmerilado, no usó metal de aporte y pudo terminar una soldadura en una fracción del tiempo requerido por GMAW.Esto significó que el equipo ya no tenía que preocuparse por mantener las longitudes de soldadura lo más cortas posible, lo que también significaba que podían alterar el diseño de los espacios en blanco cortados.Un solo espacio en blanco en forma de cruz no era su única opción.Claro, anidar esas formas cruzadas no produjo un rendimiento de material abismal, pero el rendimiento tampoco fue excelente.Muchos esqueletos desanidados parecían tableros de ajedrez alrededor de los bordes, mostrando los desechos dejados por el material entre los brazos de la cruz.Los ingenieros se decidieron por un nuevo diseño que involucra tres componentes: dos láminas finales que están soldadas a un solo componente en forma de U, que el equipo denominó envoltura (consulte la Figura 3).El equipo descubrió un diseño que podría aumentar el rendimiento del material y aprovechar las capacidades de la soldadura láser.Pero antes de seguir adelante, consideraron todas las opciones para aumentar la velocidad de las piezas.Después de todo, lo último que querían era una isla de eficiencia automatizada en un océano de ineficiencia.La empresa quería aumentar la velocidad del trabajo, desde la emisión del pedido hasta el envío final.Y así hicieron más preguntas.Por ejemplo, ¿cuál es el papel de la calidad del material?El corte por láser puede ser extraordinariamente rápido, pero la velocidad de corte no importa si la tensión residual hace que el material se combe y cause estragos en el procesamiento posterior.Figura 2 Esta representación de primer plano de la esquina inferior del gabinete muestra su diseño único, con una hoja final (gris claro) acoplada al borde de una hoja formada con una curva de 90 grados (gris oscuro).Para crear esta junta de soldadura de media superposición, el radio cortado con láser de la hoja final debe coincidir con el radio de la curva de 90 grados cerca de su eje neutral.“No compramos material especial para esta línea”, dijo Johnson, “pero tenemos un acuerdo que garantiza que el proceso de nivelación [de nuestro centro de servicio] esté muy controlado.También contamos con trazabilidad de las propiedades de los materiales que se remonta a los molinos.Así de importante es”.Otras preguntas involucraron opciones de procesamiento.¿Tendría sentido crear una línea alimentada por bobina en la que el trabajo pudiera alimentarse continuamente a través de todos los procesos, desde la nivelación y el corte hasta el doblado y la soldadura?Las limitaciones de espacio harían que la implementación de un sistema de este tipo fuera difícil, aunque no imposible.Pero el equipo descubrió más obstáculos.Por ejemplo, la combinación de productos incluía varios grados y espesores, y la cantidad de cambios de bobina habría hecho que el enfoque no fuera práctico.Otra cuestión involucraba la disponibilidad de capacidad flexible.Los láseres de fibra modernos, incluido el sistema de 4 kW de la fábrica de Anoka de Amada, tienen una inmensa capacidad flexible que puede alimentar piezas a varios flujos de valor, no solo a una línea automatizada.Independientemente, en la configuración actual de la fábrica, el láser, completo con un robot que apila los espacios en blanco en los transportadores de descarga, alimenta principalmente la línea automatizada.La confiabilidad es fundamental, razón por la cual los programadores cortan piezas sacrificatorias cerca de ángulos agudos para garantizar que los espacios en blanco no se enganchen durante la extracción de la pieza.La empresa se asoció con dos empresas holandesas, AWL Techniek para la celda de soldadura por láser y WEMO para el plegado automatizado.Ambas organizaciones se involucraron en las primeras etapas del proyecto, mucho antes de que nVent HOFFMAN se decidiera por el rediseño del "envoltorio" del gabinete.“Sabíamos de WEMO desde hace mucho tiempo”, dijo Dahlstrom, y agregó que algunas de las operaciones europeas de nVent han utilizado líneas WEMO durante años.“Y sabíamos que la empresa trabajaba con AWL, a quien conocíamos como un jugador importante en soldadura láser, especialmente en la industria automotriz”.(Nota del editor: WEMO y AWL recientemente formaron una asociación llamada "De la bobina al gabinete", www.coiltocabinet.com, para aplicaciones que integran la automatización de conformado y unión).Dahlstrom agregó: “Quería asegurarme de elegir jugadores de renombre y de clase mundial.Si armamos este sistema automatizado y no funcionó, habría sido culpa nuestra”.Los requisitos de ingeniería comenzaron con el proceso con los requisitos más estrictos.“La soldadura láser es realmente el corazón del sistema”, dijo Dahlstrom.“Todo se construyó a su alrededor.Y todo se trataba de tolerancia”.Esto incluía la tolerancia de corte en el láser de fibra, la tolerancia de flexión en la formación y el ajuste en la soldadura por láser.La esquina inferior del gabinete de montaje en pared es un buen ejemplo.Nuevamente, dos hojas se acoplan a una envoltura en forma de U y las dos esquinas inferiores tienen un radio doblado (o, más específicamente, el radio en el eje neutral de la curva) que debe coincidir con precisión con el radio de la esquina cortada con láser de la hoja.La soldadura láser sigue la U por un lado, alrededor del radio de la esquina, a lo largo de la parte inferior, alrededor del otro radio de la esquina y luego hacia arriba por el lado adyacente.Para lograr la calidad de soldadura que necesitaban, diseñaron una junta de media superposición en todo el proceso y el montaje no podía variar en más del 30 % del espesor del material.Para el material más delgado, este requisito redujo la zona de tolerancia a solo varias milésimas de pulgada, o meras fracciones de milímetro, tolerancias más familiares para los maquinistas que para los fabricantes de láminas de metal.Esto significaba que el borde cortado con láser, tanto la parte recta como el radio alrededor de la esquina, tenían que ser increíblemente precisos.Figura 3 Los gabinetes estaban hechos de tres componentes, un envoltorio (en la foto aquí) acoplado a dos láminas laterales.Las hojas finales cortadas con láser tenían que coincidir con las esquinas de la envoltura con precisión para formar una junta de esquina de media superposición.La flexión tenía que ser igualmente precisa.WEMO ofrece varias unidades de plegado para líneas automatizadas, incluido el plegado CNC (similar al plegado de paneles), así como el plegado giratorio, que utiliza una acción de plegado similar a la de las máquinas con vigas de plegado bidireccionales.La empresa finalmente eligió el doblado giratorio debido al acceso a las herramientas, especialmente para la brida superior de retorno de 90 grados con el borde de 45 grados (consulte la Figura 4).“Elegimos el doblado giratorio para poder acceder más fácilmente a esa esquina de 45 grados”, dijo Gert-Jan Engelbart, gerente de producto de WEMO.“Con la flexión giratoria, la viga misma entra en contacto con la brida completa”.(Engelbart agregó que tal geometría de plegado es ciertamente posible con el plegado CNC; la secuencia de plegado es un poco más complicada).Las herramientas de sujeción en el doblado giratorio tenían que sujetar el metal a dimensiones extremadamente estrechas;incluso el más mínimo movimiento empujaría el material fuera de tolerancia (vea la Figura 5).Los ingenieros perfeccionaron la secuencia de doblado y calibración para reducir el efecto de las tolerancias de acumulación.Cada doblez tiene una zona de tolerancia que se combina, o "apila", con cada doblez subsiguiente.Y la envoltura tiene ocho curvas: dos conjuntos de tres pestañas de borde en la parte superior de cada pata de la U, más las dos curvas inferiores de 90 grados (como se muestra en la Figura 3).“Debido a que debemos lidiar con las tolerancias de doblado en ambos lados de la envoltura”, dijo Engelbart, “doblamos un lado primero, luego usamos ese [lado formado] como referencia para doblar el otro lado”.La máquina establece un punto cero y dobla un lado, retira la hoja y avanza por la línea hasta otra estación de doblado giratoria.Allí, se establece otro punto cero y la flexión giratoria comienza en el otro lado.Esto mantiene la dimensión más crítica de la pieza de trabajo, entre las dos curvas en la parte inferior de la U, bien dentro de la zona de tolerancia.Por supuesto, si tiene una pieza de trabajo con ocho curvas y tolerancias de solo fracciones de grado o fracciones de milímetro, algo tiene que ceder.“Las tolerancias se construyen desde la parte inferior del producto hacia arriba”, dijo Gerbrand Rosendal, ingeniero de concepto senior de AWL.“Las tolerancias más flexibles están en la parte superior del producto”.Aclaró que “baja tolerancia” es un término relativo.La tolerancia de formación, incluso en las bridas superiores finales, es extremadamente estrecha y más que adecuada para las aplicaciones típicas de chapa metálica.Pero esta no es una aplicación típica.El espacio entre las bridas superiores era demasiado variable para la soldadura láser autógena.E incluso si la tolerancia del espacio fuera lo suficientemente estricta, el diseño de la junta en sí mismo creaba complicaciones.La junta de esquina de media superposición cambió a una configuración a tope donde las bridas de retorno se acoplaron, creando una superficie plana y un sello seguro entre el gabinete y la puerta cerrada (como se muestra en la Figura 1).Figura 4 Esto muestra la esquina superior del gabinete, donde el borde de corte de 45 grados de cada pieza en bruto se emparejó para soldar.La línea negra agregada a la derecha muestra la junta (invisible aquí, debajo de la capa de polvo) que crean las dos bridas.Esa brida fue una de las razones por las que los ingenieros de WEMO eligieron el doblado giratorio.“Debido a la forma en que se unen las hojas, simplemente no hay manera de hacer una superposición en ese punto”, dijo Rosendal.Afortunadamente, la costura restante donde se unían esas pestañas de borde en la parte superior del producto no era larga y estaba en un área a la que podía acceder un brazo robótico.En última instancia, la empresa utilizó una variación de GMAW, la tecnología de transferencia de metal en frío (CMT) de Fronius, para soldar la parte final del gabinete.Y para esta aplicación, CMT dejó solo una cantidad limitada de metal de soldadura que necesitaba ser molido, una tarea que podría ser manejada por otro conjunto de robots en la línea.Además, la molienda tomó solo segundos, no minutos.Lo que hace que la línea automatizada se destaque es su flexibilidad.Los robots y otras mecanizaciones en la línea usan programación paramétrica para ajustarse a diferentes tamaños de gabinetes y espesores de láminas.La punta de la viga fija y las vigas de sujeción en las dobladoras giratorias ajustan su posición para cambiar el espacio de flexión para diferentes espesores de material (análogo a cambiar el ancho del troquel en una prensa plegadora).Estos ajustes aseguraron que el radio de curvatura exterior se mantuviera entre dos y tres veces el grosor del material.Toda esta flexibilidad simplifica el cambio entre lotes, cada uno de los cuales suele tener entre 20 y 80 armarios.Y con cada cambio de lote puede haber un tamaño de gabinete y grosor de material diferentes.Para comenzar el proceso, se coloca un lote de espacios en blanco en mesas de carga.Desde allí, la pieza en bruto de la envoltura viaja por un transportador mientras que las piezas finales viajan por una línea adyacente.La línea de envoltura tiene dos unidades de doblado giratorias, no porque una unidad de doblado no pueda hacer el trabajo, sino para lograr el tiempo de ciclo requerido.La línea de formación se cronometra con precisión para que forme dos piezas finales en el tiempo que se tarda en formar una envoltura, de modo que las tres piezas necesarias para un solo recinto emergen en forma de flujo de una sola pieza.Dahlstrom describió lo que sucede a continuación.“Tenemos una serie de transportadores que actúan como amortiguadores a medida que la velocidad de los productos sube y baja.Luego viene un apretón de manos entre el sistema WEMO y el sistema AWL, y ese fue probablemente uno de los elementos más emocionantes de armar toda la línea.Tenemos estaciones intermedias mínimas porque las cosas se cronometran muy bien.Luego, las piezas van a las estaciones de sujeción de piezas donde tres robots de manejo de materiales alimentan dos accesorios de soldadura redundantes donde las envolturas y los extremos se unen y se sueldan con láser”.El accesorio se ajusta para adaptarse a las dimensiones del gabinete y comienza la soldadura (consulte la Figura 6).Y aunque el accesorio sujeta la pieza de trabajo en su lugar, en su mayor parte no puede compensar las piezas fuera de tolerancia.“La sujeción no puede compensar la mala calidad de las piezas”, dijo Rosendal.“Por lo tanto, es muy importante que el corte y el plegado por láser sean muy precisos”.Una vez asegurados, se activan los rayos de dos láseres de disco de estado sólido de 6 kW de TRUMPF.El posicionamiento del haz también debe ser extraordinariamente preciso, tanto que la óptica del haz, diseñada por Precitec, tiene una unidad integrada de seguimiento de costuras que mide la ubicación de la junta un poco menos de 1 pulgada por delante del punto de enfoque de la soldadura láser.El seguimiento de la costura es necesario debido a la variabilidad en la posición del robot de soldadura.El punto de enfoque del haz debe incidir con precisión en el lugar correcto de la superposición para inducir el flujo de metal y, para que eso suceda, el robot debe colocarse en un ángulo preciso.Este posicionamiento preciso del robot también garantiza una cobertura completa de blindaje de argón-nitrógeno.Figura 5 Una dobladora giratoria WEMO forma las pestañas de borde en una envoltura.Las dobladoras giratorias utilizan una viga de doblado bidireccional, similar a las máquinas dobladoras bidireccionales.Después de la soldadura por láser, los robots de manejo de materiales toman los gabinetes, los colocan en un transportador final para soldadura CMT, soldadura de pernos automatizada (instalación de soportes para componentes posteriores) y un ciclo de pulido rápido.(La empresa trabajó con MESH Automation para crear el sistema automatizado de control industrial SCADA, soldadura de espárragos y esmerilado). Todos estos procesos ocurren en secuencia para garantizar que aproximadamente cada 40 segundos, según el tamaño y el grosor del producto, emerja un gabinete fabricado de la línea, lista para pintar, ensamblar y enviar.Todos conocen la narrativa común: la automatización está eliminando todos los trabajos de fabricación.Pero esa no fue la experiencia de nVent HOFFMAN.La línea automatizada se lanzó en octubre de 2016 y, desde entonces, las oportunidades de empleo en las instalaciones de más de 1000 empleados no han hecho más que aumentar.Aunque algunos puestos de trabajo de los que ahora están jubilados no volverán, la cantidad de vacantes sigue aumentando.Pero la mezcla de trabajos ha cambiado.La fábrica ahora emplea no solo a operadores de plegadoras y soldadores, sino también a varios niveles de técnicos de automatización.“Tuvimos que aumentar nuestro nivel de conocimiento técnico en todos los niveles”, dijo Johnson."Hemos creado muchos puestos de técnicos de automatización y mantenimiento, y la demanda de sus conjuntos de habilidades solo aumentará en los próximos años".El viaje de automatización de la empresa en las instalaciones de Anoka también muestra el creciente nivel de colaboración entre diferentes actores de la industria: automatización de corte por láser de Amada, robótica de ABB, automatización de plegado de WEMO, integración de soldadura por láser automatizada de AWL, fuente de alimentación de soldadura por láser de TRUMPF, óptica de Precitec, soldadura CMT de Fronius, soldadura de pernos y esmerilado automatizados de MESH Automation, junto con los proveedores que diseñaron los controles y las interfaces entre ellos.Todos deben actuar en concierto, y los trabajadores ahora deben saber cómo trabajar con todos ellos.Pero los resultados son evidentes: la fábrica produce más productos en menos tiempo que nunca y abundan las oportunidades de empleo.Figura 6 Un robot coloca un componente envolvente en la plantilla de soldadura láser diseñada por AWL.Después de que se colocan las hojas finales, comienza la soldadura.La junta de soldadura en forma de U puede tener más de 45 pulgadas de largo para los gabinetes más grandes.Pero debido a que la soldadura ya no es una restricción, limitar la longitud de la soldadura no es un problema.Ver más de Tim HestonTim Heston, editor senior de The FABRICATOR, ha cubierto la industria de la fabricación de metales desde 1998, comenzando su carrera en el Welding Journal de la American Welding Society.Desde entonces, ha cubierto la gama completa de procesos de fabricación de metales, desde estampado, doblado y corte hasta esmerilado y pulido.Se incorporó al personal de The FABRICATOR en octubre de 2007.Leer más de este númeroEncuentre el FABRICATOR en FacebookEncuentre el FABRICATOR en TwitterThe FABRICATOR es la revista líder de América del Norte para la industria de conformado y fabricación de metales.La revista ofrece noticias, artículos técnicos e historias de casos que permiten a los fabricantes hacer su trabajo de manera más eficiente.El FABRICATOR ha servido a la industria desde 1970.Acceda fácilmente a valiosos recursos de la industria ahora con acceso completo a la edición digital de The FABRICATOR.Acceda fácilmente a valiosos recursos de la industria ahora con acceso completo a la edición digital de The WELDER.Acceda fácilmente a valiosos recursos de la industria ahora con acceso completo a la edición digital de The Tube & Pipe Journal.Disfrute de acceso completo a la edición digital de STAMPING Journal, que sirve al mercado de estampado de metales con los últimos avances tecnológicos, mejores prácticas y noticias de la industria.Acceda fácilmente a valiosos recursos de la industria ahora con acceso completo a la edición digital de The Fabricator en Español.En esta primera parte de nuestro episodio de dos partes, la artista de metal y soldadora Rae Ripple se unió a los anfitriones Dan Davis...© 2022 FMA Communications, Inc. 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