Las herramientas suelen considerarse un elemento secundario en los proyectos de automatización. Sin embargo, cuando se trata de láseres, se convierten en un elemento de diseño fundamental. Ya sea para soldadura, corte o tratamiento de superficies, los sistemas láser exigen un mayor nivel de precisión, consistencia y repetibilidad de las herramientas que otras tecnologías de proceso. Ni siquiera el mejor equipo láser puede superar una mala presentación de las piezas.
La función de las herramientas es aparentemente sencilla: fijar y orientar la pieza de trabajo para que el láser pueda realizar su trabajo. Sin embargo, hacerlo de forma fiable, a lo largo de miles de ciclos, teniendo en cuenta las variaciones en la geometría de las piezas, la carga del operador, la distorsión térmica y el acceso del haz, suele ser todo menos sencillo.
Aquí describiremos los aspectos clave que hay que tener en cuenta al diseñar herramientas para la automatización láser. Y lo más importante, destacaremos por qué las herramientas láser requieren una mentalidad diferente. Esto le ayudará a crear mejores herramientas y también a comprender por qué la mayoría de los proveedores de equipos de automatización a menudo no están preparados para satisfacer sus necesidades en materia de herramientas.
Requisitos para herramientas láser
Los procesos láser suelen ser menos tolerantes con las fijaciones deficientes que otros métodos, especialmente la soldadura láser. Mientras que métodos como la soldadura MIG pueden tolerar pequeños espacios o desalineaciones, los láseres requieren tolerancias más estrictas y una mayor repetibilidad.
Por ejemplo, la soldadura en filete con una ubicación inconsistente del borde de la pieza puede producir huecos en la soldadura, socavado y una reducción de la resistencia de la soldadura. Por lo tanto, las herramientas deben garantizar un buen ajuste para las aplicaciones de soldadura (normalmente mucho menos de 0,040"), así como distancias de separación consistentes y acceso a la viga en geometrías complejas.
Los sistemas láser también exigen consistencia, y la automatización general se beneficia enormemente de las entradas repetibles. Si las piezas se desplazan, se desvían o varían de un ciclo a otro, el láser no siempre puede compensarlo. Un utillaje eficaz garantiza que el proceso se realice siempre en el mismo lugar.
Luego está la cuestión de la entrada térmica. Aunque los procesos láser son rápidos, las soldaduras largas o la exposición repetida pueden provocar distorsiones inducidas por el calor. Las herramientas deben anticipar y contrarrestar estas fuerzas antes de que afecten negativamente a la soldadura acabada.
La pieza en sí misma también es parte integral del diseño de las herramientas (y, a menudo, de todo el proceso de automatización). Un error común es utilizar un proceso láser para su producción, calidad y precisión sin tener en cuenta la optimización del diseño de la pieza para aprovechar al máximo sus ventajas.
A veces, un cambio relativamente menor, como pasar de una junta en bisel a una junta solapada, puede hacer que un proceso láser sea más fiable y compatible con herramientas aptas para láser. Pero este tipo de optimizaciones no siempre son evidentes para los proveedores de herramientas que se centran exclusivamente en la sujeción de piezas.
El papel más amplio de las herramientas
Más allá de todos los detalles que acabamos de mencionar, es importante comprender el papel general que desempeñan las herramientas en su sistema y proceso de automatización. No solo aseguran la pieza, sino que también influyen en la fiabilidad, eficiencia y precisión con la que se lleva a cabo todo el proceso láser.
Esto significa que las buenas herramientas deben diseñarse teniendo en cuenta el proceso, no solo la pieza. Para hacerlo de manera eficaz, deben cumplir cuatro funciones interdependientes:
- Permite una carga y descarga eficientes.
- Sujete las piezas de forma segura y repetible durante el proceso.
- Proporcionar un acceso sin obstáculos a los lugares de procesamiento para el rayo láser.
- Mantener la integridad mecánica y la fiabilidad a lo largo del tiempo.
La optimización de cada uno de estos aspectos requiere diferentes estrategias de diseño. Y cada uno presenta posibles dificultades. Analicémoslos individualmente.
Carga/Descarga
Los ciclos de carga y descarga influyen directamente en la productividad, la seguridad y el tiempo de actividad de la automatización. Tanto si el sistema es totalmente automatizado como si cuenta con la asistencia de un operador, las herramientas deben facilitar una colocación rápida, precisa y repetible de las piezas.
En el caso de las piezas cargadas manualmente, unos accesorios mal diseñados pueden provocar errores de alineación, fatiga del operario o incluso riesgos para la seguridad. Lo ideal es que los accesorios se diseñen teniendo en cuenta el contexto de toda la célula de trabajo. Esto significa tener en cuenta la orientación de las piezas y la sujeción para optimizar la interacción tanto con el operario como con el sistema de automatización (planificación de trayectorias).
En los sistemas de alto rendimiento, es fundamental minimizar el tiempo de carga. Se pueden utilizar características como los nidos de autolocalización o los pasadores guía para que la colocación de las piezas sea rápida, fácil y a prueba de errores.
Si la carga de piezas es robotizada, se deben tener en cuenta las características y capacidades de las herramientas robóticas de extremo de brazo (EOAT). Esto es necesario para garantizar que el accesorio interactúe de forma fiable y repetible con las EOAT, ciclo tras ciclo.
Las herramientas virtuales también se pueden utilizar para simular secuencias de carga y validar las zonas de alcance y despeje durante la fase de diseño. Esto ayuda a evitar sorpresas más adelante y aumenta la probabilidad de que los sistemas de automatización funcionen correctamente en condiciones de uso reales.
Participación accionarial
Cuando se trata de sujetar piezas para la automatización láser, no existe un enfoque único que sirva para todos los casos. En última instancia, cada aplicación es única.
Al mismo tiempo, conseguir la sujeción correcta de las piezas es innegociable. En pocas palabras, ningún proceso, ya sea láser o de otro tipo, funcionará si no se realiza en el lugar adecuado.
Un dispositivo de soldadura láser diseñado para realizar ajustes rápidos en la sujeción de piezas, con el fin de adaptarse a múltiples modelos de piezas diferentes.
Pero sujetar una pieza no consiste solo en fijarla. Se trata de controlar las variaciones. Incluso pequeños cambios en la alineación de los puntos de referencia o en el movimiento del plano de deslizamiento pueden alterar un proceso láser.
Afortunadamente, no siempre es necesario esperar a las fases de prototipado y producción inicial para identificar los problemas causados por la variación.
A menudo, herramientas como el análisis de simulación de variaciones (VSA) ayudan a revelar problemas de sujeción de piezas antes de que comience la fabricación. La geometría de las piezas, junto con todos los datos y tolerancias, se introducen en el software VSA. A continuación, se utilizan diversos métodos estadísticos para predecir cómo se desplazarán las piezas en las herramientas debido a las variaciones de fabricación, y cómo esos desplazamientos afectarán a aspectos como la ubicación de las soldaduras y la precisión de los cortes.
Con VSA, es posible modelar cómo interactúan las tolerancias de las piezas y el diseño de los accesorios, y predecir si las herramientas posicionarán las piezas de manera consistente dentro de los requisitos del proceso. El análisis ayuda a evaluar las estrategias de referencia y a localizar las fuentes de variación que podrían afectar a la calidad. Cuando se identifican problemas, VSA proporciona la información necesaria para realizar los cambios necesarios en el concepto del accesorio, la geometría de la pieza o el diseño de la junta soldada con el fin de mejorar la capacidad del proceso.
En el caso concreto de la soldadura, el análisis de distorsión de soldadura (WDA) modela la respuesta térmica de la pieza para identificar dónde podría producirse la distorsión. Al igual que con cualquier forma de VSA, si el comportamiento modelado revela posibles problemas, se pueden realizar cambios en la pieza, las herramientas o el proceso para eliminarlos.
Acceso al proceso
Por muy eficaz que sea la sujeción de la pieza, el proceso seguirá sin funcionar si el rayo láser no puede alcanzar el área de procesamiento o acceder a ella en el ángulo adecuado. El acceso al proceso es uno de los elementos más olvidados en el diseño de herramientas.
Es bastante habitual que los procesos láser requieran ángulos de incidencia, distancias de seguridad o trayectorias de movimiento específicos. Las soldaduras o trayectorias de proceso complejas pueden requerir un movimiento dinámico del haz o incluso el reposicionamiento de la pieza a mitad del ciclo. En aplicaciones de limpieza, la distancia de separación es tan importante como el acceso lateral.
Herramientas diseñadas para sujetar múltiples características en una sola pieza, al tiempo que permiten el acceso del haz para un proceso de escaneo láser de alta velocidad.
Las consideraciones relativas al acceso al proceso no pueden esperar hasta la integración. Estas decisiones deben tomarse en la fase de diseño de las herramientas. En ocasiones, la elección de las herramientas puede incluso afectar a las especificaciones del propio sistema de automatización (por ejemplo, el alcance necesario del brazo robótico).
Durabilidad
La consistencia es fundamental en cualquier proceso automatizado. Una ventaja clave de los láseres sobre los métodos mecánicos es que la herramienta láser en sí misma nunca se desgasta. La mayor estabilidad del proceso y la eliminación casi total del tiempo de inactividad por sustitución de herramientas son las principales razones por las que los láseres se han vuelto tan populares en el procesamiento industrial de materiales.
Lo ideal es que los accesorios también demuestren un nivel similar de consistencia a lo largo del tiempo. En los sistemas láser, esto significa resistir el desgaste causado por el apriete repetido, los ciclos térmicos y, posiblemente, incluso la exposición ocasional a rayos dispersos.
Tenga en cuenta que la durabilidad no solo se refiere a la resistencia mecánica. La métrica más importante es la repetibilidad a lo largo de miles de ciclos.
Introducción a la automatización láser
El éxito de la automatización láser depende de mucho más que de un buen equipo (aunque eso también es importante). Depende de la calidad de las herramientas que respaldan el proceso. Los láseres exigen tolerancias más estrictas, una colocación más consistente de las piezas y un diseño de accesorios más inteligente que la mayoría de los demás métodos de fabricación. Y aunque el láser en sí mismo no se desgasta de la misma manera que las herramientas mecánicas, la estabilidad del proceso a largo plazo sigue dependiendo de herramientas que mantengan la precisión ciclo tras ciclo.
Con tantos factores a tener en cuenta, a menudo vale la pena trabajar con un integrador láser con experiencia.
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Empezar es fácil: envíenos algunas piezas de muestra, visite uno de nuestros laboratorios de aplicaciones globales o simplemente cuéntenos cuál es su aplicación.
