Prensas de montaje para baja

En el montaje se valoran procesos y parámetros claramente definidos. Pero eso no significa que no haya lugar para un poco de flexibilidad de vez en cuando.

Un buen ejemplo es el press con poca fuerza. La forma en que se define esta frase depende del fabricante que realiza el prensado, así como de la tecnología que se utiliza.

“Baja fuerza es un término muy subjetivo en el prensado”, señala Glenn Nausley, presidente de Promess Inc., que fabrica prensas desde 1984. “Por ejemplo, una prensa neumática de baja fuerza puede ser aquella que produce al menos 3 kilonewtons (aproximadamente 675 libras) de fuerza, mientras que una prensa de eje de baja fuerza puede producir tan solo 0,4 kilonewton (alrededor de 100 libras) de fuerza. Las servoprensas pueden llegar incluso más abajo”.

Como ejemplo, Nausley señala la serie Promess FlexIQ, que consta de tres modelos con un rango de fuerza de 0,2 kilonewton (45 libras), 1 kilonewton (225) y 3 kilonewton, respectivamente. Introducidas apenas en junio pasado, las prensas compactas ofrecen alta precisión y pueden equiparse con funciones de seguridad y monitoreo incorporado. Su sencillo software permite una configuración rápida para que los fabricantes puedan prensar piezas dentro de una hora después de desembalar cualquiera de las máquinas.

"Desarrollamos las prensas para satisfacer mejor las necesidades de nuestros clientes de productos electrónicos, dispositivos médicos y bienes de consumo que realizan fabricación de bajo volumen y gran variedad", dice Nausley. "Están diseñados específicamente para no dañar ninguna pieza, ni siquiera las más pequeñas".

El principal desafío de cada aplicación de prensado es encontrar el "punto óptimo" donde la prensa produce resultados consistentes y de alta calidad de manera más rentable. Para el prensado con poca fuerza, los fabricantes confían cada vez más en prensas servo electromecánicas para lograr este resultado. Proveedores como Promess ahora ofrecen modelos con capacidades de baja fuerza para lograr tanto control y precisión como requiere cada aplicación.

Antes de este siglo, el prensado de baja fuerza sólo se realizaba con prensa manual o neumática. Los tipos de prensas manuales incluyen piñón y cremallera, palanca y palanca con asistencia neumática. Una prensa de piñón y cremallera produce una fuerza lineal constante a lo largo de toda la carrera.

En una prensa de palanca estándar, el ariete está conectado mediante un mecanismo de palanca, que multiplica exponencialmente la fuerza aplicada por el ariete. Esta prensa produce poca fuerza al comienzo del golpe, pero ofrece la máxima fuerza al final.

El principal inconveniente de utilizar una prensa manual en una aplicación de baja fuerza es depender del operador para proporcionar una fuerza constante en cada ciclo. Las formas de garantizar este resultado incluyen el uso de interruptores, pantallas de fuerza y ​​mecanismos de bloqueo para verificar que la carrera se haya completado por completo antes de levantar el ariete. Otra forma de mejorar el control de calidad es utilizar una prensa de palanca con asistencia neumática, que acorta el tiempo del ciclo y disminuye la fatiga del trabajador.

"Una prensa de eje manual puede ser una buena opción para una aplicación de baja fuerza", añade Nausley. "La clave es tener un operador con el toque adecuado, alguien que sepa exactamente cuándo ser un poco cuidadoso con la fuerza de presión".

Hay dos tipos de prensas neumáticas: de acción directa y de palanca. La prensa de acción directa produce una fuerza lineal constante a lo largo de toda la carrera. Similar a la prensa manual, un modelo neumático de palanca produce poca fuerza al inicio del recorrido, pero ofrece la máxima fuerza al final.

Ambos tipos cuentan con un cilindro de aire estándar y válvulas de control que inician el ciclo de la prensa y mueven el ariete hacia arriba y hacia abajo de manera segura. Las prensas neumáticas ofrecen una gran velocidad, y la fuerza máxima está determinada por el tamaño del cilindro y la presión del aire.

La mayoría de las prensas de baja fuerza producen al menos 1 kilonewton de fuerza. Algunos, sin embargo, producen tan sólo 30 newtons de fuerza, lo que los hace eficaces para dispositivos médicos, piezas electrónicas pequeñas y conjuntos mecánicos de precisión.

En el lado negativo, las prensas neumáticas ofrecen un control limitado a menos que se coloquen topes rígidos en las herramientas. La carrera de la prensa de trabajo puede ser entrecortada y variar de una parte a otra. Además, los operarios de la prensa no pueden “sentir” el proceso de montaje, por así decirlo, ya que no hay respuesta táctil.

Sin embargo, hay equipos y accesorios opcionales disponibles para mejorar el control y monitoreo de la prensa. Estos incluyen interruptores de presión y posición de carrera, reguladores y dispositivos de retroalimentación, como celdas de carga.

"Las prensas neumáticas tienen un control de fuerza limitado, pero es mejor que el de las prensas manuales", dice Phil Cohen, gerente general de ventas de Janome Industrial Equipment USA Inc. "Una buena analogía es que las prensas neumáticas ofrecen la capacidad de control de usar un mazo, mientras que las prensas manuales ofrecen la posibilidad de controlar el uso de un martillo”.

"Aunque las servoprensas se han utilizado para todo tipo de prensado durante casi 30 años, sólo en los últimos cinco años han ganado popularidad para el prensado de baja fuerza", explica Nausley. “Esto se debe en parte a que el coste de los servomotores y la electrónica de control ha bajado significativamente en los últimos años. Pero se debe principalmente al creciente mercado de dispositivos médicos a medida que nuestra población envejece. Productos como jeringas, marcapasos y parches médicos requieren una presión baja durante el montaje”.

A diferencia de las prensas manuales y neumáticas, las servoprensas ofrecen control de circuito cerrado de la posición, la velocidad y la fuerza del ariete para un prensado preciso y repetible. Este control proviene del servomotor de la prensa, que proporciona torque y velocidad según lo ordenado por un controlador. El motor puede proporcionar toda la energía a cualquier velocidad, pero no toda la capacidad de fuerza en cualquier etapa de la carrera.

Otros beneficios de la prensa incluyen flexibilidad para operaciones de alta mezcla, menos desechos y una huella relativamente pequeña. La eficiencia energética también mejora porque el motor siempre produce par y velocidad en función de la corriente y el voltaje suministrados.

El único inconveniente de las servoprensas es su mayor inversión inicial. Sin embargo, esto suele verse compensado por menores costes operativos y de mantenimiento.

Los actuadores lineales servoaccionados son otra opción para un prensado preciso y con poca fuerza. El actuador básico cuenta con un motor, una caja de engranajes y un tornillo de potencia. La fuerza se mide mediante el par del motor o mediante una celda de carga montada externamente. Los actuadores de alta gama cuentan con componentes mecánicos adicionales, como un husillo de rodillo planetario y brazos antirrotación guiados.

Cohen está de acuerdo en que, en general, la fabricación de dispositivos médicos es un mercado en crecimiento para el prensado con poca fuerza; pero, más específicamente, para aplicaciones de prensado servoaccionadas que requieren delicadeza. Otros clientes habituales de Janome incluyen fabricantes de electrónica de consumo, automoción, defensa y aeroespacial. Todos los productos que estas empresas ensamblan con prensado de baja fuerza requieren un control detallado de la fuerza y ​​la trazabilidad de las piezas que Janome proporciona en su sistema de prensado con marco en C JP Serie 5.

"Los fabricantes aeroespaciales utilizan prensado de baja fuerza para ensamblar conectores específicos de la industria que son componentes críticos en el sistema electrónico interno del avión", dice Cohen. "Este tipo de prensado también es necesario para piezas pequeñas utilizadas en los sistemas hidráulicos y de suministro de combustible del lado del motor".

Cuatro modelos de la serie JP están diseñados para prensado de baja fuerza y ​​tienen una capacidad máxima de 0,5, 1, 2 y 5 kilonewtons, respectivamente. La longitud de carrera es de 80 o 100 milímetros con una velocidad máxima de 414 o 280 milímetros por segundo. La repetibilidad posicional es ±0,005 milímetros.

Hace dos años, un fabricante mundial de defensa utilizó la prensa JP Serie 4 para estandarizar un proceso de producción, garantizar la máxima calidad y eliminar defectos de campo. La prensa logró estos objetivos aplicando presión constante durante un período conocido en límites de fuerza altos y bajos según fuera necesario, incluso cuando las piezas no estaban bajo tensión.

"Las prensas hidráulicas tradicionales no podían ajustarse cuando las fuerzas disminuían durante el asentamiento", dice Cohen. “Esto produjo defectos en el campo que eran difíciles de rastrear. Se necesitaba retroalimentación en tiempo real para controlar el proceso y mantener el cronograma de producción”.

Las prensas de baja fuerza de Kistler Instrument Corp. son utilizadas regularmente por empresas de las industrias médica, electrónica de consumo y automotriz, así como por aquellas que fabrican joyería y herramientas eléctricas. Estos últimos utilizan un prensado de baja fuerza para ensamblar motores pequeños.

Las aplicaciones médicas incluyen pines de inyectores y componentes de inhaladores. En cuanto a la automoción, tanto los Tier 1 como los OEM dependen de una presión de baja fuerza para construir sistemas de radar y chips de computadora para manijas de puertas, y para probar los botones utilizados dentro de un vehículo.

Kistler tiene su sede en Suiza, por lo que no sorprende que varias empresas relojeras de ese país hayan utilizado el módulo de unión NCFT tipo 2157B de Kistler durante varios años. Kyle Fischer, ingeniero de ventas del negocio de sistemas de unión y fabricación avanzada de Kistler, dice que los relojeros utilizan la prensa para instalar con precisión varios componentes diminutos.

El 2157B cuenta con un sensor piezoeléctrico integrado para mediciones de alta precisión dentro de dos rangos predefinidos: de 0,05 a 0,5 kilonewton y de 0,25 a 1,5 kilonewton. Fischer dice que el sensor está ubicado en la cabeza del ariete para garantizar la medición de fuerza más precisa. Luego, estos datos se transmiten de forma inalámbrica a un amplificador en la carcasa de la prensa.

La prensa es capaz de operar a alta velocidad con tiempos de ciclo cortos. También cuenta con la certificación ISO para trabajos en salas limpias de Clase 7 y 8.

"El mercado en expansión de baterías y motores de vehículos eléctricos está impulsando definitivamente el crecimiento del prensado de baja fuerza", afirma Richard Vaughn, director de ingeniería de automatización para tecnología lineal en Bosch Rexroth Corp. "El prensado de baja fuerza también se utiliza para engarzar cables en conectores para arneses, clavijas y pasadores a presión, y clips de inserción y piezas de plástico en teléfonos móviles y rodamientos en automóviles y electrodomésticos. Otra área en aumento son las pruebas de resortes y sellos realizadas por técnicos de control de calidad”.

Cambiar a la tecnología de servoprensa para prensado con poca fuerza puede ser un desafío. Como resultado, algunas empresas continúan utilizando prensas manuales o neumáticas como respaldo durante la transición. Otro enfoque es utilizar máquinas de tecnología más antigua para aplicaciones menos críticas y la servoprensa para aplicaciones que requieren mayor precisión, seguridad y trazabilidad del producto.

"Consideramos que lo mejor para los clientes en transición es implementar lentamente la tecnología servo", señala Fischer. “Esto les ayuda a optimizar sus proyectos actuales de prensado de baja fuerza, mientras aprenden plenamente los beneficios del servoprensado. Un ejemplo es que las servoprensas a menudo mostrarán variaciones de fuerza y ​​distancia que han estado ocurriendo durante el prensado sin que el fabricante lo sepa. Este tipo de conocimiento hace que las empresas quieran utilizar servoprensas tanto como sea posible”.

La transición a las servoprensas también afecta a los fabricantes e integradores de máquinas. Fischer dice que aprenden rápidamente que el alto voltaje del servo (480 V) puede producir un ruido eléctrico excesivo. Dicho ruido puede interferir con el motor de la prensa, la fuerza y ​​los cables de posicionamiento, lo que resulta en errores de datos debido a las fluctuaciones en el valor de fuerza mostrado. Proteger los cables y maximizar la distancia entre ellos minimizará el impacto del ruido en el servosistema.

En marzo pasado, Bosch Rexroth presentó su Smart Function Kit para ayudar a los fabricantes e integradores de sistemas a implementar servoprensas para aplicaciones de fuerza baja (2 a 5 kilonewtons), media (6 a 17) y alta (18 a 30). El software de movimiento lineal LinSelect ayuda a los ingenieros a seleccionar y dimensionar el kit correcto para una aplicación.

"Este kit mejora la productividad para una amplia gama de aplicaciones", explica Vaughn. "Estos incluyen el ajuste a presión de rodamientos en carcasas, el engarzado de cables y mangueras, el doblado y estampado de piezas de plástico y la realización de diversos procedimientos de medición y prueba".

Después de que el usuario final selecciona los componentes del tamaño correcto, descarga archivos CAD para cada componente y diseña el sistema con un configurador en línea. Luego, esta configuración deseada se solicita a través de la tienda electrónica de Bosch y todos los componentes se entregan como un paquete completo.

"La capacidad de configuración intuitiva del kit elimina la necesidad de que cualquier usuario final tenga conocimientos de programación", señala Vaughn. “El software operativo preinstalado permite la parametrización automática del servoaccionamiento y una rápida puesta en servicio. Esto reduce el tiempo de ingeniería hasta en un 95 por ciento y puede reducir significativamente el tiempo de comercialización”.

Al utilizar el Smart Function Kit, el fabricante de sensores y controles electrónicos Sensata Technologies Inc. puede producir pequeños lotes de varios tipos de sensores en una línea de ensamblaje, en lugar de varias. El kit también permite a la empresa registrar los datos del proceso y configurar de forma autónoma los módulos de producción para una rápida puesta en servicio.

Vaughn dice que la programación visual del kit elimina la necesidad de que los ingenieros realicen codificación línea por línea. En su lugar, seleccionan bloques de software predefinidos y crean un flujo de trabajo secuencial mediante arrastrar y soltar. Al definir procesos de unión individuales, los ingenieros simplemente ingresan los parámetros asociados.

"Para fines de seguimiento, se muestran y registran en vivo información de estado y resultados del proceso, incluida una curva de desplazamiento de fuerza", afirma Marc Hubsch, director de ingeniería del departamento de codificadores de Sensata. “Todos los datos se transfieren directamente a nuestro sistema de TI, donde se almacenan y analizan con fines de control de calidad. Esto significa una transparencia mucho mayor durante la producción”.

Medir con precisión la fuerza de la prensa siempre es importante, pero no necesariamente fácil, según Nausley. Señala que, con demasiada frecuencia, los fabricantes asumen que cualquier inexactitud de fuerza se debe a una celda de carga defectuosa.

"La basura que sale de la basura definitivamente afecta el lado mecánico del prensado", dice Nausley. “Esto incluye la configuración del varillaje desde la celda de carga hasta el lugar donde se realiza el prensado. Siempre es mejor colocar el dispositivo de medición lo más cerca posible del área de trabajo. También revise las herramientas y accesorios. Asegúrate de que la pieza esté recta o paralela mientras la sostienes”.

Un último desafío para los fabricantes es proporcionar a los proveedores de equipos la información correcta para que puedan recomendar la mejor prensa para una aplicación de baja fuerza.

"Un buen punto de partida es hacernos saber qué tan críticas son las piezas que se prensarán para la seguridad y la tolerancia", dice Cohen. “El fabricante debe tener un nivel de fuerza inicial y luego confirmarlo con la prensa de demostración del proveedor durante las pruebas de muestra. Esta prueba también es un buen momento para investigar cuidadosamente por qué algo salió mal durante el prensado. Los gráficos de seguimiento de la fuerza de prensa mostrarán estos problemas y cualquier otra tendencia negativa”.

Jim es editor senior de ASSEMBLY y tiene más de 30 años de experiencia editorial. Antes de unirse a ASSEMBLY, Camillo fue editor de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal y Milling Journal. Jim tiene un título en inglés de la Universidad DePaul.