Mejorar las máquinas y reducir sus ruidos gracias a la simulación

La simulación de máquinas y plantas, la denominada “producción virtual”, es una tendencia esencial en la fabricación de máquinas. El objetivo es optimizar las máquinas en cualquier lugar posible sin necesidad de utilizar prototipos caros y complejos. En esta línea, existen dos proyectos de investigación para demostrar las posibilidades que ofrece la simulación a la hora de mecanizar piezas de forma perfecta en las fases iniciales de desarrollo.

Rainer Hank, de Trumpf: "Estamos intentando atenuar una excitación alta del proceso cuando aparece. La solución incluye por un lado, medidas mecánicas y el diseño correspondiente de la bancada de la máquina; por otro lado, el uso de activos, también denominados elementos “adaptrónicos”.

Ernst-Ulrich Schmitz de INDEX-Werke: "Queremos alcanzar un entorno de simulación con SimCAT. Para ello, estamos intentando juntar las herramientas disponibles en un sistema de simulación, de tal forma que podamos generar un mapa lo más preciso posible de la estructura mecánica, del motor y e las propiedades de control y procesos de fabricación”.

Supervisados por la división de producción y fabricación de tecnologías (OFT) de la empresa que patrocina el proyecto PTKA, un centro de investigación en Karlsruhe, estos dos proyectos han estado trabajando durante dieciocho meses en la simulación y la consecuente optimización de la máquina-herramienta. Mientras que SimCAT se ocupa de lo último en el desarrollo de la simulación de vanguardia –para tiempos de desarrollo más cortos y una mayor eficacia y precisión de la máquina – SilEnT se orienta a reducir las emisiones de ruido.

Las altas presiones de precio y tiempo obligan a los fabricantes de máquinas a someter sus procesos de desarrollo a una drástica racionalización. En particular, las pruebas intensivas y las optimizaciones basadas en prototipos son apenas factibles por razones de tiempo y coste. Están cobrando una importancia creciente las herramientas de análisis y optimización que pueden simular y optimizar las máquinas herramienta- junto con su estructura mecánica, sus accionamientos y propiedades de control, y su comportamiento en los procesos de fabricación. Eso aceleraría el desarrollo y acortaría el tiempo de puesta en el mercado.

Todavía, los métodos de simulación empleados hasta ahora en la fabricación de máquina herramienta tienen una seria desventaja: tratan de forma separada los aspectos mecánicos (topología y estática, dinámica y propiedades térmicas), el campo de las tecnologías del accionamiento y control, y simulación de procesos (formación de viruta, fuerzas del proceso). Además, son utilizadas principalmente una detrás de otra. Esto significa que sólo se optimizan aquellas propiedades que aparecen como relevantes en cada uno de los procesos. Las interrelaciones con otros aspectos son ignoradas.

El objetivo del proyecto de investigación SimCAT es crear un entorno de simulación integrado que utilice modelos virtuales computerizados para ver la totalidad de las propiedades dinámicas de la máquina herramienta. Como resultado, el comportamiento real de la máquina herramienta puede simularse sobre las frecuencias definidas y tiempos e incluso a tiempo real. Esto crea las bases hacia la optimización no sólo de cada componente, sino también del sistema completo.

Estos trabajos pueden parecer muy teóricos y es por ello que el proyecto se lleva a cabo no sólo por instituciones universitarias, sino también por empresas de software y fabricantes de máquina-herramienta y componentes que ofrecen la practicidad máxima posible. El coordinador del proyecto es Ernst-Ulrich Schmitz de la compañía fabricante de máquina-herramienta Index- Werk, ubicada en Alemania. Schmitz observa una gran necesidad de actuar respetando el método de simulación: “Nuestro principal objetivo es la simulación autónoma de un entorno que podemos crear con SimCAT. Para conseguirlo no queremos reinventar la rueda, es decir, no queremos desarrollar otra herramienta de simulación. Estamos intentado emparejar las herramientas disponibles para la simulación con el fin de generar con tanta exactitud como sea posible un mapa de la estructura mecánica, de las propiedades del control y del accionamiento y del proceso de fabricación”.

La máquina del participante en el proyecto Gebr. Heller Maschinenfabrik se analiza con el método de elementos finitos (FEM). Los resultados se utilizan por los participantes en el proyecto.

“Beam forming” es un avanzado desarrollo de la también denominada cámara acústica. Un micrófono registra la intensidad del sonido de las emisiones con respeto a la estructura física de la máquina. Los sensores integrados a la estructura de la máquina capturan la excitación mecánica causada por el pulso.

La capacidad de la simulación para predecir debe confirmarse por una comparación de los resultados de simulación con medidas en sistemas reales. Lo que es crucial es que la simulación incluya todos los esfuerzos efectivos que se presentan siguiendo un comando de control. Ernst-Ulrich Schmitz concreta: “Las fuerzas efectivas son las fuerzas de corte, procesos, accianamientos y fuerzas inertes. Esto no debería incorporarse más como un valor fijo como en un método de análisis convencional, sino que debería incluirse en el análisis a través del controlador, el accionamiento y los sistemas de medición integrados en los modelos”.

El sistema de simulación integrado que persigue SimCAT está realizado sobre fases diversas. “Debería ser más interesante para los fabricantes de máquina herramienta ver cómo, por ejemplo, podemos determinar cuantitativamente los valores de amortiguación de las guías anti-fricción."

Dibujo de las fuentes del ruido y de su intensidad en una punzonadora, en el momento de producirse el llamado “schock” del corte. El punto rojo es el epicentro de la emisión del ruido (cabezal de punzonado) y la intensidad de la emisión de ruido y su propagación por la estructura de la máquina.

El proyecto SilEnT, trabaja sobre aplicaciones específicas de tecnologías de simulación y crea diseños de medidas que tienden hacia una considerable reducción de las emisiones de ruido de las máquinas-herramienta. El punto de partida es la cada vez más rápida dinámica a lo largo de los ejes y en cada proceso de mecanizado, lo que en muchos casos también causa niveles de ruido más altos. Los fabricantes de maquinaria pretenden poner en marcha medidas protectoras para reducir esta evolución desagradable y poco saludable, preferentemente desde el inicio del desarrollo de la máquina.

SilEnT persigue el objetivo de elaborar y desarrollar un concepto universal que sirva para diseñar y crear máquinas-herramienta altamente dinámicas con unas emisiones de ruido minimizadas. Lo que parece complicado es simple: diseños modificados deberían hacer todo tipo de máquinas más silenciosas. De manera que estas medidas pueden planificarse y probarse en máquinas actuales.

Los participantes en el proyecto son los fabricantes de máquina-herramienta Metrom, de Chemnitz (corte) y Trumpf de Ditzingen (máquinas de deformación). El coordinador Rainer Hank, de Trumpf, explica las motivaciones de su compañía “Las máquinas de punzonado son indispensables en el trabajo de chapa. Trabajan con una gran eficiencia energética y son capaces de realizar funciones que una máquina láser no puede hacer. Sin embargo, son ruidosas. La “excitación de los procesos altamente dinámicos” es el resultado del denominado “cutting shock “ (el golpe de corte) causado por el punzonado. Cuando las herramientas contactan con el material y lo atraviesan , las tensiones en la estructura de la máquina son rápidamente eliminados. Esto conduce a la transferencia de vibraciones que son emitidas como altas emisiones de ruidos vía la bancada de la máquina. En casos extremos se han medido niveles que ascienden a 105 dB(A). Queremos hacer algo con esto”.

Encapsular el ruido es sólo la segunda mejor solución: son preferibles medidas activas

Una solución pasiva, es modificar la instalación mediante dispositivos que encapsulen el ruido. Esta medida implantada hasta la fecha, sin embargo, tiene diversas desventajas: restringe considerablemente la accesibilidad, obstruye las estaciones de carga automáticas, los cambios de herramienta y la conexión con otras máquinas.

Prevenir el ruido tan pronto como se genera es la solución más práctica. Aquí, el proyecto SilEnT, después de investigaciones experimentales sobre las propiedades del ruido en las máquinas de hoy, ha llevado a cabo simulaciones cuyos resultados se analizan para mejoras potenciales. Rainer Hank explica: “Estamos intentando amortiguar la excitación altamente dinámica de los procesos cuando aparece. La solución incluye por un lado, medidas mecánicas y el diseño correspondiente de la bancada de la máquina: por otro lado, el uso de elementos activos denominados “adaptrónicos”. Estos actuadores pueden vibrar en antifase para mejorar la rigidez de la chapa y frenar el ruido cuando se origina”.

El sector de la máquina-herramienta aprende de la ingeniería de automoción

Si se debe optimizar el diseño de la bancada de la máquina también desde el punto de vista acústico y los elementos piezolectrónicos añadidos a las sitios correctas, los fabricantes de máquinas deben utilizar software de simulación y equipamiento especial de análisis y medida. Muchos de estos planteamientos, sin embargo, son nuevos para el sector de la máquina-herramienta, por lo que el proyecto se sirve de la experiencia obtenida en el sector de la automoción.

Las emisiones de ruido han sido investigadas y los ruidos diseñados durante muchos años. Consecuentemente este proyecto ha subido a bordo a partners como la compañía Head Acoustics, de Herzogenrath, que está tratando de transferir su know how a la fabricación de máquinas. Entretanto, estas compañías han llevado a cabo investigaciones con una cámara acústica en el Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technologies (IWU) en Chemnitz. Incluso la compañía Smart Material, de Dresden, un especialista para elementos activos y adaptrónicos, está trayendo la experiencia desde la ingeniería de la automoción.

Empresas participantes en los proyectos

SimCAT

• Index-Werke GmbH & Co. KG Hahn & Tessky, Esslingen

• Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH, Nürtingen

• Intes-Ingenieurgesellschaft für technische Software mbH, Stuttgart

• Siemens AG - Automation & Drives, Erlangen

• Rexroth Star GmbH, Schweinfurt

• University of Stuttgart - ISW, Stuttgart

• FE-Design Gesellschaft zur Herstellung von Analysesoftware mbH, Karlsruhe

• Dynardo (Dynamic Software and Engineering) GmbH, Weimar

• University of Karlsruhe (TH) - WBK, Karlsruhe

SilEnT

• Trumpf Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG, Ditzingen

• Metrom Mechatronische Maschinen GmbH, Chemnitz

• Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU), Chemnitz

• Head acoustics GmbH, Herzogenrath

• Smart Material GmbH, Dresden