Los procesos de acabado son habitualmente considerados procesos de alto valor añadido, ya que se realizan en etapas finales

Incluso hoy en día, son muchos los procesos de acabado que siguen realizándose a mano por operarios cualificados. La tendencia es a tratar de eliminar estas operaciones finalistas de alto valor añadido, tratando de realizarlas con procesos automatizados. El reto es grande, y las dificultades únicamente se pueden solventar utilizando las tecnologías más avanzadas. En esta línea trabaja el Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica - CFAA desde hace varios años dando respuesta a diversos proyectos de implantación, siempre con el objetivo de reducir tiempos, minimizar el error humano, conseguir procesos que no sean operario-dependientes y obtener un proceso más fiable mejorando la productividad y manteniendo la calidad. La implementación directa de los desarrollos llevados a cabo en una célula robotizada proporciona un entorno industrial representativo para alcanzar el MRL 7-8.

Los procesos de acabado son habitualmente considerados procesos de alto valor añadido ya que se realizan en etapas finales del proceso productivo. Un error o deficiencia durante la ejecución de estos procesos repercute en la pérdida de componente y por lo tanto del trabajo previo realizado en toda la cadena de proceso. Las operaciones habituales van desde achaflanado, rebabado, generación de aristas secundarias, pulido, lijado, corte, etc. Se trata de procesos muy diversos con aspectos técnicos muy variados. En sectores como el aeronáutico, muchos de estos procesos finalistas se siguen realizando a mano por operarios especializados. Las razones principalmente son dos. En primer lugar, los materiales suelen ser de difícil maquinabilidad y esto dificulta en algunos casos la integración automática de herramientas diseñadas y fabricadas para trabajar de forma manual. En segundo lugar, muchas de las geometrías a acabar son de difícil acceso o con geometrías reales no conocidas o que difieren de la nominal, es por ello que es necesario desarrollos de acabado adaptativo para poder trabajar las zonas requeridas. Con todo ello, en el CFAA se trabaja en varios proyectos de acabado de componentes, entre los que destacan, por ejemplo: acabado de aristas con geometrías no conocidas en carcasas de gran tamaño, pulido de superficies complejas en componentes de estampación, corte, desbaste y acabado de amarres, bebederos y mazarotas en componentes fundidos, etc. En todos los casos, el éxito en los proyectos suele venir condicionado por el apoyo tecnológico recibido de varios socios.

Entre los socios tecnológicos que colaboran en la línea de acabado y pulido del CFAA, destacan 5 grandes grupos: desarrolladores e integradores de robots; proveedores y fabricantes de herramientas y soluciones; proveedores de husillos y accesorios; otros accesorios y soluciones tecnológicas y tecnologías software.

Desarrolladores de células e integradores de robots

En esta línea se engloban aquellas empresas que desarrollan células o procesos robotizados de cara a aplicaciones concretas o máquinas flexibles, también fabricantes de robots e integradores.

Mek&Bot es una ingeniería robótica enfocada en el diseño y fabricación de sistemas de fácil manejo que requieran guiados adaptativos y precisos. Se especializan en mecanizado, acabado superficial, pintura, inspección, aplicaciones colaborativas y otras aplicaciones genéricas. Su tecnología KUME se basa en sistemas robotizados inteligentes con capacidad de análisis y procesado del entorno variable de trabajo. Sus tres premisas tecnológicas son: predicción y adaptación a través del guiado adaptativo de robots sobre superficies complejas; medición y precisión sobre geometrías móviles; y fácil manejo con la idea de disponer de células robotizadas Easy-To-Use.

Nordbo Robotics es una compañía centrada en la robótica e inteligencia artificial. Dispone de un equipo ambicioso de carácter internacional con gran talento y decidido en cambiar el mundo de la automatización robótica con soluciones de software únicas y especializadas. Su objetivo es desarrollar soluciones innovadoras que lleven a la automatización al siguiente nivel al agregar inteligencia, flexibilidad e intuición a las habilidades de un robot.

En Universal Robots se dedican a fabricar brazos robóticos colaborativos de 6 ejes, seguros, flexibles y fáciles de usar para empresas de todos los tamaños, en todo el mundo. Desarrollan soluciones que automatizan y optimizan procesos industriales repetitivos.

Fabricantes y proveedores de herramientas y soluciones de acabado

La experiencia y basto conocimiento en soluciones adaptadas a cada problemática es la clave para poder afrontar los proyectos de acabado y pulido. Para ello, el CFAA cuenta con el apoyo de grandes proveedores y fabricantes de herramientas tipo multidiente, cepillos abrasivos, herramientas flexibles, etc. Muchos de sus productos y procesos están enfocados directamente al mundo aeronáutico.

Entre ellos, Pferd es una marca puntera en el desarrollo, fabricación y asesoramiento, así como para la distribución de soluciones de herramientas abrasivas para el tratamiento de superficies y el corte de materiales. Su apoyo técnico en varios proyectos ha sido importante para el éxito de los mismos.

Lukas es especialista en el mercado de sistemas de rectificado, fresado, corte y pulido, especializado en la producción y venta de herramientas, maquinaria y accesorios, así como en el asesoramiento de expertos.

Jaz Zubiaurre es una empresa que lleva innovando en el ámbito de la cepillería desde 1924, siendo puntero en el ámbito del desarrollo y fabricación de nuevos productos orientados a cubrir las necesidades de los diferentes sectores y clientes. En su afán de seguir innovando participa junto a diferentes Centros Tecnológicos, Universidades y Clústeres del entorno en la búsqueda y desarrollo de nuevas soluciones desde un enfoque de innovación incremental e innovación disruptiva.

Xebec aporta innovación tecnológica al campo del desbarbado y pulido gracias a sus herramientas abrasivas de alta calidad. Su caballo de batalla se basa en cepillos flexibles de fibras abrasivas basadas en componentes cerámicos, particularmente útiles en aplicaciones de alto grado de precisión y acabado superficial bajo condiciones de mecanizado exigentes.

Las áreas de especialización de BRM se centran en cepillos industriales, destacando su herramienta Flex-Hone para aplicaciones de acabado y desbarbado de superficies. Muchos de sus productos y procesos están enfocados directamente al mundo aeronáutico.

Finalmente, 3M es una empresa especializada en consumibles para acabado, entre otras muchas aplicaciones. Ofrece sistemas completos de herramientas de amolado y lijado de metales de alta calidad, almohadillas de disco de apoyo y accesorios para optimizar el rendimiento abrasivo y maximizar la productividad.

Proveedores de husillos, accesorios y otras soluciones tecnológicas

Además de desarrolladores e integradores y fabricantes de herramientas, es necesario contar con el apoyo de otros proveedores de tecnologías habilitadoras, las cuales son de gran importancia para conseguir procesos avanzados a la vanguardia de la tecnología.

Delfin Componentes es una empresa orientada a la optimización de los sistemas de amarre de piezas, para su alimentación al centro de mecanizado y durante el proceso mecanizado. Su colaboración ha sido muy útil para desarrollar sistemas de amarre rápido, así como proyectos que involucran husillos con compensación radial y axial.

Mannesmann Demag es una referencia para herramientas neumáticas precisas, potentes motores neumáticos, husillos de rectificado, martillos cinceladores y otro tipo de herramientas de acabado. Con sus nuevos desarrollos en curso de husillos sensorizados capaces de monitorizar varias variables de proceso, se han convertido en un socio de gran interés, especialmente en aplicaciones de rebabado con robots dónde es habitual emplear la compensación de la herramienta de corte.

Sumec son representantes de una serie de marcas de herramientas de corte y utillaje para el mecanizado reconocidas internacionalmente, aportando mejoras continuas en el proceso de mecanizado y acabado en el sector aeronáutico, entre otros. Destaca entre sus distribuidos, el fabricante japonés Nakanishi con motores y husillos de alta velocidad y precisión para el mecanizado y la robótica. Las altas prestaciones de estos motores (en particular, de la gama E4000, que pueden alcanzar 1 kW de potencia) combinadas con un peso muy reducido (alrededor de 1kg) hacen de este fabricante un aliado excepcional para los procesos de acabado robotizado.

Schunk es especialista tecnológico internacional en portaherramientas y sistemas de sujeción estacionarios, tecnología de agarre y tecnología de automatización.

Third Dimension es proveedor integral de soluciones automatizadas de metrología en proceso. En concreto, comercializa el sistema Vectro, de gran interés para la integración en células robotizadas para la medición de aristas tras procesos de acabado. Es proveedor integral de soluciones automatizadas de metrología en proceso. Además, apuestan por la colaboración directa con el entorno industrial y de investigación, apoyando en tecnologías innovadoras para desarrollar soluciones específicas para necesidades no cubiertas en el mercado.

Y Madit desarrolla y fabrica aplicaciones y productos metálicos orientados a la tecnología SLM de impresión 3D.

Tecnologías software para la programación de célula robotizada

Con el auge de la programación off-line y el reto de minimizar tolerancias y errores de posicionamiento y búsquedas de TCP en el ámbito de la fabricación con robots, se hace imprescindible trabajar con un software CAD/CAM de gran capacidad y funcionalidad.

En Mecdata están en constante desarrollo de aplicaciones enfocadas a dar solución a necesidades de generación de trayectorias complejas para gestionar el movimiento de robots o de centros de mecanizado. Ofrecen software y soporte técnico al CFAA, en concreto con SprutCAM en lo referente a programación y posprocesado de trayectorias.

Tecnocim también da apoyo y soporte en tecnologías software de programación CAD/CAM para células robotizadas, entre otras cosas. El software de Mastercam combinado con Robotmaster recrea el entorno virtual de la célula robotizada, permitiendo que el robot sea capaz de reproducir la trayectoria diseñada evitando singularidades o colisiones con el resto de elementos.

Con el objetivo de mejorar la precisión en posicionamiento y comportamiento en trabajo de la célula de superacabado del CFAA, se decidió realizar la integración de un nuevo cabezal intercambiable más rígido basado en husillos neumáticos. Para una correcta integración, era necesario realizar las siguientes tareas:

• Diseñar nuevos cabezales rígidos para el acople de husillos neumáticos y sonda de medición.
• Generar nuevos ciclos de calibración para estos cabezales.
• Redefinir los ciclos de calibración de los elementos de la máquina en base al nuevo cabezal de la sonda.
• Obtener el TCP de la herramienta de trabajo con el nuevo cabezal rígido.
• Implementar la programación offline en la máquina, por medio del software Sprutcam, añadiendo los sólidos de los nuevos cabezales diseñados.

Para el cumplimiento de estos objetivos, el CFAA contó con la ayuda y colaboración de algunos de sus socios tecnológicos, en concreto con Mannesmann para la selección y distribución de los husillos adecuados, basados en técnologías de compensación radial para elevadas vueltas; con Mek&Bot para el diseño de cabezales e integración en la célula, programando además los ciclos de calibración del TCP y generando rutinas automatizadas de cambio, calibración y posicionamiento de pieza; y con Mecdata a través del software Sprutcam, la piedra angular para que todo el conjunto funcione de manera off-line, precisa y versátil.

En el contexto actual de desarrollo de tecnologías avanzadas para la mejora de los procesos de producción, la programación offline de los robots es un elemento indispensable a la hora de programar trayectorias complejas con precisión. Este tipo de programación permite simular y generar las trayectorias del robot en un entorno virtual sin necesidad de interferir en la máquina real, disminuyendo el tiempo de inactividad de la célula con el ahorro en costes de mano de obra que supone. De esta manera, para poder realizar trabajos de precisión es clave definir lo más realista posible el gemelo virtual de la célula robotizada. Para ello, la clave es tener una versión lo más fiel posible de la realidad de tu máquina en el sistema de control software seleccionado.

Una vez realizado el desarrollo físico de integración de equipos y generación de ciclos automáticos de calibración y posicionamiento, el reto estaba en conseguir un gemelo virtual fiel a la realidad que permitiese la programación off-line de la célula consiguiente tolerancias de décimas de milímetro. En este sentido, el software SprutCAM X Robot incluye un potente módulo de simulación de mecanizado adaptado a toda clase de arquitecturas de robots industriales. La creación del gemelo virtual se realiza de forma sencilla por medio el módulo MachineMaker, que permite importar cualquier elemento CAD y dotarlo de movimiento según sus características cinemáticas y amplitud de recorrido disponible. De esta manera, el cálculo de trayectorias se optimiza para evitar posibles singularidades, límites de alcance del robot y colisiones entre elementos de la célula. Todo ello a través de una potente interfaz gráfica, capaz de trazar mapas con las posibles trayectorias a seguir en función de la orientación de la muñeca del robot, movimientos externos y/o ángulos de inclinación de la herramienta.

Dentro de la gama de operaciones disponibles para la generación de trayectorias, no sólo se cuenta con operaciones de fresado adaptadas a robots, sino que también se dispone de trayectorias específicas para el trabajo con robots. Todas ellas son altamente configurables y su resultado puede verificarse simulando también el arranque de material.

La integración del software SprutCAM en la célula de rebabado del CFAA ha permitido el diseño de trayectorias complejas para facilitar el acceso a zonas complicadas de las carcasas empleadas en la fabricación de turbinas para motores aeronáuticos. Además, gracias a su flexibilidad para customizar los programas de post-procesado, se ha adaptado el código generado para habilitar el posicionamiento automático de las piezas, así como el ajuste automático del TCP de la herramienta. En definitiva, se cuenta con un software muy versátil y potente, adaptado las necesidades intrínsecas de la planificación de trayectorias sobre geometrías complejas.

Aula AIMS, también un lugar para proyectos de acabado

El Aula AIMS nace con la misión de acelerar la digitalización de los entornos productivos. Para ello, el centro tecnológico Ideko, el Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica CFAA, centro mixto de la Universidad del País Vasco UPV/EHU, el centro de formación avanzada IMH Campus, y el Centro Vasco de Matemática Aplicada BCAM han sumado sus capacidades en un entorno colaborativo que busca impulsar la aplicación de soluciones de inteligencia artificial en el sector de la fabricación industrial. Entre los proyectos desarrollados, destacan algunos vinculados a la línea de acabado y pulido del CFAA:

• Tecnologías habilitadoras basadas en inteligencia artificial y conectividad en redes avanzadas para la reducción de errores en célula robotizadas.
• Integración de sistemas de visión artificial para la medición de aristas en proceso de componentes acabados de difícil acceso.

En este marco de trabajo, el Aula AIMS ha ofrecido en los últimos meses dos cursos formativos. Estos han permitido a técnicos de varias entidades capacitarse en tecnologías novedosas para dar respuesta a la problemática industrial derivada de los procesos de acabado en componentes críticos. Estos cursos han sido:

• Curso de visión artificial: impartido por expertos del campus IMH, con el objetivo de capacitar a los estudiantes en la aplicación de la tecnología de inteligencia artificial para la sostenibilidad. La inteligencia artificial es una herramienta valiosa que puede mejorar la eficiencia y la calidad en los procesos de fabricación. Gracias a su capacidad de analizar grandes cantidades de datos y detectar patrones, puede optimizar la producción y reducir los errores. La visión artificial es una de las tecnologías de inteligencia artificial que se utiliza comúnmente en la fabricación inteligente. Se refiere al conjunto de técnicas y algoritmos que permiten a las máquinas ‘ver’ y comprender su entorno a través del procesamiento de imágenes y videos.
• Curso de formación en sensorización y ‘edge-computing’ para máquinas-herramienta 4.0: impartido por los técnicos de alta cualificación de Ideko, el curso constó de 4 módulos. En el primero de ellos una introducción al ‘edge-computing’ donde se explicó el concepto de ‘edge’ frente a otros conceptos cásicos cómo PLC, PAC, CNC, así como la interacción con el ‘edge-cloud’. En el siguiente módulo se trató el tema de la teoría de sensorización e instrumentación en máquina herramienta. Además, se mostraron los diferentes sistemas de captación de datos y procesamiento se señal de forma teórica y práctica, gracias a las practicas con el sistema IKDAS.

Son varios los alumnos que han pasado por el Aula AIMS este curso pasado, algunos de ellos realizando proyectos vinculados a la línea de acabado del CFAA.

Nikola Arluzea. Titulación: Grado en Ingeniería Mecánica (izq.)

Testimonio: Me ha gustado realizar el Trabajo Fin de Máster en el Aula AIMS del CFAA, ya que me han permitido aplicar métodos estudiados durante la carrera y además me parece que dan libertad al estudiante, dejando que haga el trabajo un poco por su cuenta sin atosigarle, pero sin perderle de vista. En mi proyecto, realicé la integración de un sistema de visión artificial para la medición de aristas en procesos de acabado.

Mikel Vladimir Guscin. Titulación: Grado en Ingeniería de Organización Industrial (dcha.)

Testimonio: La elaboración de este trabajo en el centro me ha brindado la oportunidad de adentrarme en el entorno de la IA, tan presente y creciente en cualquier sector a día de hoy. Por otro lado, he podido amoldar un trabajo en un centro tan especializado como lo es el CFAA a la naturaleza tan genérica que presenta el Grado de Organización Industrial. De esta manera, he podido aprender acerca de numerosos procesos de fabricación distintos y de los últimos avances en fabricación avanzada; sin tener que dedicarme a una tecnología en exclusiva.

Adrián Rodríguez. Coordinador de proyectos en el Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica (CFAA) en la Universidad del País Vasco (UPV/EHU)

Doctor en ingeniería mecánica. Trabajando en proyectos de investigación relacionados con diferentes tecnologías de fabricación desde 2009. Actualmente, sus líneas de trabajo se centran en nuevos conceptos de utillaje, procesos de superacabado y técnicas avanzadas de lubricación/refrigeración.

Mikel González. Estudiante de doctorado en la Universidad del País Vasco (UPV-EHU)

Ingeniero mecánico. Desde 2020 realizando sus estudios de doctorado en ingeniería mecánica en el CFAA, centrados en la investigación de procesos de acabado de aleaciones termorresistentes con robots. Sus líneas principales de investigación se centran en el estudio de procesos de rebabado y cepillado, la aplicación de tecnologías basadas en visión artificial y el desarrollo de metodologías de inspección in-situ.

Agradecimientos

Las actividades presentadas en este trabajo se enmarcan dentro de la unidad AIMS (Artificial Intelligent Manufacturing for Sustainability) de la Universidad del País Vasco (UPV/EHU), y también como parte del proyecto ITENEO, de la convocatoria PID2019-109340RB-I00 financiada por MCIN/AEI/10.13039/, el proyecto de acrónimo CRESCENDO referencia CPP2021-008932 financiado por MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y por la Unión Europea “NextGenerationEU”/PRTR y el proyecto QUOLINK TED2021-130044B-I00. Los autores agradecen también al grupo IT 573-22 del Gobierno Vasco.