Noves tecnologies aplicades al procés d'acabat de motlles

El present article exposa la recerca emmarcada en els projectes Autopul i Sinde, corresponents a convocatòries del Ministeri de Ciència i Innovació del Govern d'Espanya (Sinide: IPT-020000-2010-34; Autopul: PID-560100-2009-4). L'objectiu és desenvolupar un sistema intel·ligent d'acabat de peces i utillatges per a sectors del metall i el plàstic, especialment automoció i aeronàutic, mitjançant sistemes de poliment i desbarbado, basats en robòtica i intel·ligència artificial i aplicable a materials altament tecnificats tant metàl·lics com composites. Com a principal objectiu estratègic es planteja la millora de la competitivitat d'empreses d'aquests sectors i, per extensió, a proveïdors de les mateixes que es dediquen a la fabricació d'utillatges, mitjançant la incorporació de nous desenvolupaments experimentals que permetin optimitzar, tecnificar i automatitzar els processos d'acabat de peces i utillatges en els sectors anteriorment esmentats que actualment es realitzen de forma manual.

El desenvolupament realitzat permet l'escatat i poliment de peces de superfícies de forma lliure, aconseguint un acabat d'alta qualitat, tenint un major control del procés, controlant la quantitat de material eliminat, donant sentit al que es pot cridar ‘Conformal grinding / Conformal polishing’.

Per a això s'integren tecnologies d'alt nivell com a sistemes CAM en un robot antropomòrfic de 6 eixos, aconseguint així un sistema altament flexible, i adaptable i que a més redueix el temps i cost del procés.

La recerca té uns punts de desenvolupament bàsics comuns com són:

• Desenvolupo d'eina per a poliment automatitzat de superfícies de forma lliure.
• Adaptació de metodologia CAM 5 eixos al procés de poliment.[1]
• Automatització del sistema de poliment mitjançant robot antropomòrfic.

A partir d'aquests punts comuns la recerca es disgrega en 2 línies principals.

• Desenvolupo de la metodologia que permeti la reducció de la rugosidad superficial, i per tant la millora de la qualitat final de la peça.
• Caracterització de la metodologia de poliment que permeti controlar la quantitat de material que es lleva, i per tant permeti desenvolupar el concepte de ‘conformal polishing’.

Infraestructura

Durant aquesta recerca, diferents configuracions d'eina d'acabat van ser dissenyades i testades amb l'objectiu d'implementar el procés automàtic d'acabat. No obstant això, l'objectiu final d'aconseguir l'acabat de superfícies de forma lliure va condicionar el desenvolupament. Estudis precedents han desenvolupat a aquest efecte, eines rígides controlades per un sensor de força [2], obtenint bons resultats en superfícies planes [3], no obstant això en el cas de superfícies lliures, les variacions de curvatura que presenten, fan que no hi hagi una relació lineal entre la força i la pressió exercida. Per això la filosofia de l'eina desenvolupada basa el seu concepte en el control de pressió mitjançant el control de la interferència entre eina i superfície.

La configuració final es compon d'un sistema multicapa que integra un element rígid, una capa reguladora de la pressió, i una capa abrasiva. [4]

Figura 1. Eina Desenvolupada. [A] Capa rígida [B] Capa reguladora de pressió [C] Capa Abrasiva.

Per a l'automatització del sistema, en un moment inicial es va realitzar en una fresadora, no obstant això, l'abast del projecte que implica el poliment de superfícies de forma lliure, comporta que és necessari un sistema que permeti l'orientació del vector de l'eina en funció de la normal de la superfície a polir.

Per aquesta raó, la màquina finalment utilitzada per a l'execució d'aquest projecte és un robot antropomòrfic de 6 eixos, ja que aquest sistema permet l'orientació de l'eina en qualsevol adreça dins de les limitacions del camp de treball.

Figura 2. Cel·la de poliment automàtic [1] Robot [2] Eix extern (taula giratòria) [3] Motor elèctric [4] Bescanviador d'eines de poliment [5] Bescanviador de portaeines [6] Sonda de mesurament d'eines

La programació del robot es realitza mitjançant un sistema offline que permet la comunicació amb un sistema CAM.

En l'entorn CAM es desenvolupa la metodologia per al poliment automàtic de tal forma que es desenvolupen bases de dades d'eines, macros i rutines de paràmetres que han estat optimitzats mitjançant una exhaustiva recerca basada en assajos sobre provetes d'alumini que posteriorment han estat topografiadas i analitzades mitjançant un sistema de microscopía confocal.

Rugosidad i qualitat de les superfícies

Un dels objectius del projecte és l'optimització de la metodologia de poliment per aconseguir superfícies d'alta qualitat, la qual cosa implica una reducció de la rugosidad de les superfícies polides.

S'ha realitzat l'optimització dels paràmetres relacionats amb el poliment:

• Granulometria dels abrasius.
• Velocitat de rotació de l'eina.
• Velocitat d'avanç de l'eina.
• Distancia entre passades
• Pressió sobre la superfície.

Després d'aquest treball d'assajos i optimització es descriu una seqüència que és capaç de progressivament, en fases successives, anar reduint la rugosidad de la peça i, per tant, de millorar el seu aspecte i qualitat superficial.

Figura 3. Evolució de paràmetres de rugosidad durant l'execució de la metodologia desenvolupada.

En la figura anterior es pot observar com evoluciona la superfície aplicant les successives seqüències de poliment. S'observa que no solament millora la rugosidad, sinó que la desviació baixa de la mateixa forma, la qual cosa comporta una homogeneïtzació de la superfície processada que és un altre dels objectius del procés d'acabat.

‘Conformal Polishing’

Durant el procés d'acabat de peces d'alt nivell, tan important com l'obtenció de la rugosidad desitjada és conservar la geometria original o teòrica de la superfície. En el cas de superfícies de forma lliure, el procés de poliment actualment se segueix realitzant de forma manual, amb el que no existeix cap control sobre la quantitat de material que s'elimina, i tampoc existeix cap mètode per evitar la generació d'ondulacions en la superfície. El desenvolupament d'aquesta recerca ha aconseguit la implementació d'un simulador matemàtic que permet simular la quantitat de material eliminat i l'aspecte de la superfície de forma prèvia a la realització del poliment.

En la metodologia desenvolupada, el 75% del material s'elimina durant la primera fase.

Figura 4. [A] Petjada teòrica obtinguda amb el simulador de poliment. [B] Simulació de superfície en Fase 1 de la metodologia desenvolupada.

Si contrastem les dades obtingudes amb el simulador de poliment desenvolupat amb el cas d'estudi presentat s'observa que l'altura cresta-barri en el simulador és d'1,64 mm, mentre que el resultat real és d'1,32 mm. Això suposa que es pot predir la quantitat de material eliminat, i per tant la geometria de superfície obtinguda amb un error inferior al 20%.

La metodologia desenvolupada ha estat aplicada amb èxit a diferents casos d'estudi, en concret a peces d'alumini per a peces aeronàutiques i d'automoció. A continuació es mostren algunes imatges dels resultats obtinguts.

Figura 5. Imatges del procés i resultats del poliment automàtic de superfícies de forma lliure.

Com s'ha descrit, s'ha aconseguit realitzar el poliment de superfícies de forma lliure de peces d'alt nivell en alumini. S'ha desenvolupat una metodologia que permet d'una banda controlar la rugosidad i la qualitat de les superfícies obtingudes, i de la mateixa forma preveure per endavant la quantitat de material que es va a eliminar durant del procés a cada zona de la peça.

Com s'ha descrit en el cos de l'article, la metodologia es basa en una sèrie de passos successius, el resultat dels quals és una rugosidad determinada.

En funció dels requeriments de la peça a processar, només seria necessari aplicar les etapes necessàries per aconseguir la rugosidad i per tant la qualitat superficial exigida en cada cas concret, reduint per tant el temps de processament.

L'aplicació del poliment automàtic amb robot segons la metodologia descrita presenta els següents avantatges respecte al poliment manual que actualment s'aplica sobretot a superfícies de forma lliure:

• Reducció del temps de procés.
• Repetibilidad del procés.
• Control de la geometria obtinguda

A més la implementació del simulador de poliment desenvolupat amplia l'aplicabilitat de la tecnologia, ja que a mitjà termini fa possible la correcció geomètrica de peces defectuoses.

En casos crítics on la tolerància geomètrica de la peça és important el poliment o acabat amb la metodologia descrita permet la correcció puntual de la geometria mitjançant un procés que és capaç d'eliminar molt poca quantitat de material, permetent així una correcció minuciosa de la geometria obtinguda.

S'estima d'especial importància l'aplicabilitat d'aquest desenvolupament en peces del sector aeronàutic, concretament en peces estructurals, la geometria de les quals es caracteritza per tenir una pell principal nervada en la seva part posterior, que genera una sèrie de sectors, en els quals l'espessor de peça resultant és especialment rigorós.

Figura 6. Peça d'aeroestructura. Zona Inferior resultat de procés de fresat. Zona superior aplicant la Fase 1 descrita.

En aquests casos moltes vegades el procés de correcció dels defectes d'espessor, marques de mecanitzat o altres errors, pot resultar en ocasions més llarg i costós que el propi procés d'arrencada d'encenall.

Així doncs l'aplicació dels resultats d'aquesta recerca suposaria un augment en la qualitat final de la peça, i una reducció dels costos de procés, al mateix temps que s'assegura l'homogeneïtat i repetibilidad dels resultats.

Referències

[1] Márquez, J.J.; Pérez, J.M.; Ríos, J.; Vizán, A. Process modelling for robotic polishing. Journal of Materials Processing Technology, 159 (2005), pàg. 69-82.

[2] Nagata, F.; Kusumoto, I.; Fujimoto, I.; Watanabe, K. Robotic sanding system for new designed furniture with free-formed surface. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 23 (2007), pàg. 271-279.

[3] Li, I.; Gracewski, S. M.; Funkebusch, P.D., Ruckman, J. Analysis of chatter in contour grinding of optical materials. International Journal of Machine Tools & Manufacturi, 42 (2002), pàg. 1095-1103.

[4] Dieste, J.A.; Fernández, A.; Roba, D. Rapid Finishing of Free Form Surfaces Using Milling Machine and Spherical Robot, Advanced Science Letters 19 (2013), pàg. 849-852.