La multifuncionalidad en la maquinaria

La multifuncionalidad en la maquinaria es una nueva tendencia de diseño de máquinas que está adquiriendo mucha fuerza, sobre todo en el sector de la máquina herramienta por las ventajas que supone este concepto en cuanto a ahorro de costes (al reducirse los movimientos de piezas entre máquinas monofuncionales) y en cuanto a precisión dimensional.

Las máquinas más convencionales que presentan alta multifuncionalidad son centros de mecanizado con capacidad para realizar torneados, fresados y taladrados gracias a que disponen de cabezales multiherramienta motorizados [1]. Las máquinas-herramienta multifuncionales más usuales son tornos de control numérico de última generación, fresadoras y centros de mecanizado, todos ellos con capacidad para realizar operaciones de torneado, fresado y taladrado en torno a un conjunto importante de ejes controlados.

Estas máquinas tienen capacidad de disponer de varias herramientas sobre la pieza al mismo tiempo realizando operaciones de transformación diversas, siendo todo controlado por sofisticados software de control que evitan la colisión entre las herramientas. Además, permiten seguir a la máquina autónomamente las planificaciones de producción. Esta tendencia hacia la multifuncionalidad en este tipo de máquinas está permitiendo que piezas complejas en series largas que actualmente se fabrican previamente mediante forja o fundición, sean mecanizadas en una sola máquina eliminando de esta forma los costes de estos procesos previos y las ineficiencias en los movimientos de las piezas [1].

Las grandes empresas tradicionales fabricantes de centros de mecanizado son DMG, Mazak o Mori-Seiki. En las últimas ferias internacionales de máquina herramienta estas empresas están presentando máquinas de mayores dimensiones, con clara tendencia hacia la multifuncionalidad. La creación de una célula de máquinas multifuncionales permitió en 2001 a la empresa Sandvik Mining and Construction

(Sandviken, Suecia) trasladar su producción de puntas de perforación de roca desde su centro de producción en México a Suecia. Estas piezas se mecanizaban partiendo de preformas forjadas de 200 tipologías, 15 de las cuáles son las más frecuentes produciéndose en lotes que varían de 8 a 48 unidades. La creación de una célula integrada por 3 máquinas multifuncionales Nakamura STS-40 (con capacidad para realizar torneados, fresados, taladrados e incluso tratamientos térmicos superficiales) con cambios de pieza robotizados permitió alcanzar los niveles de producción requeridos con 12 operarios mientras el anterior método requería de 7 máquinas y 50 operarios [1]. Otros ejemplos de multifuncionalidad en máquina herramienta hacen referencia a la incorporación a las máquinas de sistemas láser y ultrasonidos para realizar operaciones de transformación a las piezas alternativas. Los sistemas láser permiten la realización de un importante conjunto de procesos que abarcan el corte, el marcado, la soldadura, la asistencia al mecanizado, la realización de tratamientos térmicos superficiales, el aporte de material, etc. superando en muchas ocasiones las posibilidades de los procesos convencionales. Algunos ejemplos de estas capacidades se pueden encontrar en [3], [4], [5] y [6]. Por otro lado, los ultrasonidos permiten la realización de procesos como la asistencia al mecanizado, la soldadura o el propio mecanizado abrasivo.

La aplicación de los ultrasonidos para la asistencia a procesos de mecanizado convencionales como el taladrado y el torneado se ha realizado fundamentalmente a nivel de investigación presentando interesantes ventajas en ambos procesos que pueden encontrarse en [7] y [8].

Otra de las posibilidades de uso para las tecnologías ultrasónicas es la aplicación para el reavivado de muelas de superabrasivo en procesos de rectificado [9]. Actualmente, ya existen fresadoras de alta velocidad [10] que integran el proceso de ablación por láser, que permite sobre una pieza mecanizada utilizar el láser para mecanizar geometrías complejas o pequeños diámetros en superficies curvas (evitando la utilización de herramientas demasiado esbeltas). Siguiendo esta filosofía de multifuncionalidad y a tenor de las inquietudes mostradas por las empresas usuarias de estas tecnologías se están comenzando a desarrollar nuevos procesos de fabricación mixta fresado-láser, pero dónde el láser pueda servir para aportar, templar o soldar, apostando decididamente por reforzar la versatilidad que ofrece dicha técnica.

Otra tendencia de uso de los sistemas láser y ultrasonidos es la asistencia al mecanizado convencional, ya sea torneado, fresado, taladrado o rectificado. La misión de esta asistencia es mejorar el rendimiento de la operación en cuanto a desgaste de herramienta, facilitar la generación y rotura de viruta, actuando sobre los mecanismos intrínsecos a su formación.

A nivel nacional:

• Empresas: Nicolás Correa, Grupo Danobat y Etxe Tar.
• Centros tecnológicos y Universidades: Ideko, Fatronik, Tekniker e ITA.

A nivel internacional:

• Empresas: Wimmer, Probst, O&K (Orenstein and Koppel AG), Mecalac Ahlmann, Mori Seiki, Mazak, DMG.
• Centros tecnológicos y universidades: Webb School of Construction, APS (European Centre for Mechatronics) e Innas BV.

En este apartado se pretenden presentar algunos ejemplos detectados de multifuncionalidad entre las máquinas de construcción y obra pública tanto a nivel nacional como internacional. Como se ha podido constatar en la última feria de Bauma 2007 en Munich, la tendencia a buscar mayor funcionalidad en este tipo de máquinas se manifiesta cada vez con más fuerza. Hoy en día se ha logrado que ciertos trabajos en la construcción o la obra pública, para cuya ejecución se necesitaba antes utilizar dos o incluso tres máquinas, se puedan realizar ahora con tan solo una, con las importantes repercusiones que tiene este hecho para la productividad total de la obra.

Como indica Sitek en [11] la necesidad de adaptar la máquina a las necesidades de la obra e incrementar la productividad está haciendo que proliferen en un importante conjunto de fabricantes las máquinas compactas y multifuncionales.

La máquina con accionamiento hidráulico es la tendencia más usual en el mercado actual tanto en máquina compacta como en máquina de gran tonelaje, por las propias características del entorno de trabajo de las mismas y por la gran flexibilidad que tiene este sistema de accionamiento. En este tipo de máquinas se está extendiendo el uso de sistemas de cambio de adaptación rápida de herramientas, lo que permite que una misma máquina pueda realizar diversas operaciones de transformación en obra de forma secuencial. Empresas como Wimmer [12] han desarrollado estos sistemas para máquinas hidráulicas (excavadoras, cargadoras, etc.) con sistemas de enganche de herramienta tanto mecánicos como hidráulicos (Figuras 3 y 4).

Las herramientas convencionales con posibilidad de adaptación a brazos o sistemas hidráulicos son muy diversas. Abarcan desde martillos, sistemas de compactación, cucharas para movimiento de tierra, sistemas de taladrado, herramientas de corte, sistemas abrasivos en base a fresadoras para eliminar asfalto, etc. Un sub-sector en el que cobra especial importancia este hecho es el de la demolición y reciclaje, en el que las máquinas necesitan de un conjunto variado de herramientas para diferentes trabajos de corte y manipulación de materiales. Según [13] los tiempos de cambio de estas herramientas se reducen de horas a minutos gracias a los sistemas de cambio rápido automáticos, con los que además de incrementarse la productividad de los trabajos en obra, se incrementa la seguridad de los operarios al reducirse drásticamente las operaciones manuales.

Otros tipos de herramientas menos convencionales pero que también permiten dotar a las máquinas de altos niveles de funcionalidad son las referentes a la manipulación de materiales en obra con formas y pesos diversos. Probst [14] fabrica multitud de estas herramientas para máquinas compactas que permiten el movimiento de materiales de construcción con formas prismáticas, alargadas, circulares, tronco-cónicas y que pueden adaptarse a máquinas diversas. Algunas de estas herramientas permiten alcanzar importantes niveles de productividad en obra, sobre todo en lo referente a sistemas de ubicación precisa (figura 5).

En [11] se presenta una relación de fabricantes de maquinaria que actualmente están desarrollando maquinaria compacta orientada a la multifuncionalidad en obra, entre los que se citan a: ASV, Amman Group, Bobcat, Burkeen, Case, Caterpillar, CNH, Daewoo, Ditch Witch, Dressta, Gehl, Hitachi, Ingersoll-Rand, JCB, John Deere, Kobelco, Komatsu, Kubota, LeeBoy, Liebherr, Link-Belt, Manitou, Multiquip, Mustang, New Holland, O & K, Rayco, Schaeff-Terex, Takeuchi, TCM, Terex, Terramite, Thomas, Toro, Vermeer, Volvo, Waldon Equipment y Yanmar.

En este apartado caben destacar los trabajos realizados en el proyecto europeo del V Programa Marco ‘Advanced Multifunctional Machinery for Outdoor Applications’ [15] cuyo objetivo es el desarrollo de tecnología para una nueva generación de máquinas eficientes energéticamente y multifuncionales para trabajos en el exterior. En este proyecto se han desarrollado estructuras de máquinas hidráulicas orientadas a la multifuncionalidad, nuevos sistemas de acoplamiento de herramientas, actuadores inteligentes y energéticamente eficientes, sistemas avanzados de control de movimiento para operación en obra y sistemas de diagnóstico y monitorización. Todos estos sistemas permiten una operabilidad mejorada en obra, altos niveles de intercambiabilidad de herramientas y seguridad mejorada para el operario. Todos los sistemas desarrollados fueron implementados en 3 plataformas para su ensayo y final validación.

Entre las máquinas de fabricantes nacionales existen algunos ejemplos de multifuncionalidad aunque en términos generales la maquinaria nacional tiende preferentemente a la monofuncionalidad convencional. Entre los principales ejemplos de máquinas con multifuncionalidad se pueden citar los dúmperes de obra con capacidad de autocarga (figura 7), los vehículos multiservicio (figura 8), los dúmperes con funcionalidades alternativas (figura 9) y los brazos articulados con posibilidad de aprehensión de distintas herramientas, sobre todo martillos hidráulicos y herramientas de demolición.

También es interesante destacar la fabricación por parte de algunas empresas nacionales de sistemas de enganche rápido tanto mecánicos como hidráulicos para cazos de excavadoras, así como la fabricación de diversas herramientas para derribo y corte de acero (figura 10).

La industrialización de la construcción es una tendencia clara de futuro para este sector. Es evidente que los actuales sistemas constructivos, así como los actuales mecanismos de organización existentes en la construcción son altamente ineficientes desde muchos puntos de vista, entre ellos el económico. Se está tratando con profundidad el hecho de que en el futuro se automatizarán operaciones en obra, se estructurarán los entornos constructivos y en base a esto empezarán a proliferar máquinas robotizadas.

También en este contexto se está extendiendo la idea de los nuevos sistemas de organización en obra que permitan un uso más eficiente de los recursos como analogía al Lean Manufacturing del mundo industrial. Es en este ámbito en donde se debe ubicar la necesidad de la multifuncionalidad en la maquinaria de construcción y obra pública ([16] y [17]). Esta necesidad de mayor eficiencia en obra, de reducción de despilfarros, de uso racional y eficiente del tiempo y de las personas es el motor de la necesidad de que las máquinas sean capaces de realizar mayor número de operaciones distintas tanto secuencial como simultáneamente. Como tendencias de diseño de máquina multifuncional más significativas se pueden citar las siguientes:

• En entornos constructivos urbanos se prevé que proliferen las máquinas compactas con capacidad de cambio hidráulico rápido y automático de herramientas y con mayor adaptación al tipo y a la dimensión del trabajo a realizar. [11]
• En entornos de obra pública y por tanto con mayor referencia a maquinaria de movimiento de tierra, se prevé que las máquinas evolucionen hacia estructuras móviles contrapesadas y accionadas por sistemas energéticos eficientes. Esta estructura será la plataforma de trabajo de un conjunto de herramientas hidráulicas muy variadas controladas por computadores y que dispondrán de sistemas de comunicación que pondrán en contacto la máquina con los equipos de gestión reportándoles diagnósticos de producción y de posición en obra. ([18], [19] y [20]).
• A medida que se vayan estructurando los entornos constructivos proliferarán las máquinas robotizadas para realización de operaciones repetitivas o trabajos penosos y con tendencia a la multifuncionalidad.
• El mayor uso de prefabricados en obra va a hacer proliferar la existencia de grandes máquinas de manipulación de los mismos con capacidad para mover elementos constructivos con formas diversas y con capacidad para ubicarlos con precisión en sus posiciones en obra por lo que tendrán que ir equipadas con sistemas de medición (sistemas Best Fit).

Las implicaciones de la multifuncionalidad en la maquinaria de construcción y obra pública no son únicamente de tipo tecnológico, sino organizativo y también estratégico para el sector de la construcción. Los retos tecnológicos son variados y de amplio espectro. Se pueden sintetizar en:

• La necesidad de desarrollar plataformas de máquina compactas, flexibles y estandarizadas para poder adaptar multitud de herramientas diversas, que incorporen los elementos básicos como los sistemas de generación de energía, los sistemas de movimiento y estabilización y los sistemas de control y comunicación.
• La necesidad de desarrollar nuevos sistemas de cambio rápido y automático de nuevas herramientas.
• La necesidad de incorporar mayores accionamientos eléctricos en sustitución de los hidráulicos con objeto de incrementar las capacidades de control de la máquina y reducir consumos y ruido.

Con objeto de impulsar estos desarrollos en el sector a nivel nacional sería importante introducir la necesidad de estos desarrollos entre las prioridades temáticas de los nuevos Planes Nacionales de I+D, tanto de Diseño y Producción Industrial como de la Construcción, a través de las Plataformas Manufuture y la Plataforma Tecnológica de la Construcción (PTEC), ámbitos en dónde el sector tiene representación a través de la asociación Anmopyc.

En el medio plazo se prevé que la fisonomía de la maquinaria de construcción y obra pública sea sensiblemente distinta a la actual, siendo uno de los factores de este cambio la necesidad de incrementar sus funcionalidades. Se prevé la aparición de nuevas tipologías de máquinas para aplicaciones ahora usuales, así como nuevas máquinas para nuevas aplicaciones con tendencia hacia la multifuncionalidad.

Esto supone tanto un reto como una oportunidad de diversificación para el sector a nivel nacional que deberá adaptarse a estas nuevas tendencias para seguir manteniendo la competitividad a nivel internacional.

[1] Lorincz, J. (2006), “Multitasking Machining. Done-in-one setup makes parts better”, Manufacturing Engineering, Vol. 136, No. 2.

[2] Lorincz, J. (2006), “Metalcutting: Multitasking Equiment”, Manufacturing Engineering, Vol. 137, No. 2.

[3] “Láser Assisted Machining”. Fraunhofer USA Center for Manufacturing Innovation.

[4] Alvarez, C., Amado, J.M., López, A.J., Nicolás, G., Ramil, A., Saavedra, E., Tobar, M.J., Yáñez, A. (2004) “A simulation based scheme for parameter process selection in laser surface

treatments”. Proceedings of the Laser Assisted Net Shape Engineering.

[5] Kopel, A., Reitz, W. (1999) “Laser surface treatment”. Advanced Materials & Processes, volume 9.

[6] Wang, Y., Yang, L.J., Wang, N.J. (2002) “An investigation of laser-assisted machining of Al2O3 particle reinforced aluminium matrix composite”. Journal of Materials Processing Technology

129, 268-272.

[7] Babitsky, V.I., Kalashnikov, A.N., Meadows, A., Wijesundara, A.A.H.P. (2003) “Ultrasonically assisted turning of aviation materials”. Journal of Materials Processing Technology 132,

157-167.

[8] Neugebauer, R., Stoll, A. (2004). “Ultrasonic application in drilling”. Procedings of the 14th International Symposium for Electromachining Isem XVI, vol. II.

[9] Nomura, N., Wu, Y., Kato, M., Kuriyagawa, T. (2005). “Effects of ultrasonic vibration in truing and dressing of CBN grinding wheel used for internal grinding of small holes”. Key Engineering

Materials Vols. 291-292, 183-188.

[10] Pérez, J.M., Millán, C. (2007) “Technologies related to high speed machining (HSM). Spanish scenario, international references and challenges”. Proceedings of Sixth International Conference

of High Speed Machining, San Sebastián.

[11] Sitek, G. (2005) “Compact Equipment”. Associated Construction Publications.

[12] www.wimmer.info

[13] Gubeno, J. (2005) “Quick-attach systems help scrap processors get more out of their material handling equipment”. Recycling Today.

[14] www.probst.eu

[15] Project “Advanced Multifunctional Machinery for Outdoor Applications”, Competitive and Sustainable GROWTH EU-Programme, V Programa Marco.

[16] Tatum, C.B., Vorster, M., Klingler, M., Paulson, B.C. (2006), “Systems analysis of technical advancement in earthmoving equipment”, Journal of Construction Engineering and Management,

Volume 132, Issue 9, pp. 976-986.

[17] Arditi, D., Kale, S., Tangkar, M. (1997), “Innovation in construction equipment and its flow into the construction industry”, Journal of Construction Engineering and Management, Volume

123, Issue 4, pp. 371-378.

[18] Schexnayder, C.J., David, S.A. (2002) “Past and Future of Construction Equipment—Part IV”. Journal of Construction Engineering. and Management, Volume 128, Issue 4, pp. 279-

286.

[19] Tatum, C.B., Vorster, M., Klingler, M. (2006), “Innovations in Earthmoving Equipment: New Forms and Their Evolution”, Journal of Construction Engineering and Management, Volume

132, Issue 9, pp. 987-997.

[20] Girmscheid, G., Schexnayder, C.J. (2003), “Tunnel Boring Machines”, Pract. Periodical on Struct. Des. and Constr., Volume 8, Issue 3, pp. 150-163.