Historia de éxito

Entran piezas sin mecanizar, salen piezas acabadas

Starrag FMS permite la producción totalmente automatizada de álabes de turbinas

El último sistema de fabricación flexible (FMS) diseñado y fabricado por Starrag se dirige a China. Una empresa dedicada a la industria aeronáutica china fabrica cada año 35000 álabes de turbina forjados en Inconel o titanio, hasta su finalización, mediante un proceso totalmente automatizado. El operador solo tiene que introducir las piezas sin mecanizar en el cargador y, a continuación, retirar los álabes listos para instalar por el otro extremo. 

Los sistemas de fabricación flexible se están convirtiendo en una tendencia mundial. Las industrias aeronáutica y energética, en particular, aprovechan las ventajas cualitativas y económicas que ofrece la producción en serie automatizada. Starrag es un proveedor de primera línea para estos sistemas de gran complejidad y lleva más de veinte años diseñando y suministrando sistemas de fabricación flexible (FMS) para la producción de piezas de turbinas y componentes estructurales para aeronaves. Durante este tiempo se han creado alrededor de 60 sistemas automatizados con múltiples máquinas, lo que ha permitido a la empresa acumular una gran experiencia tecnológica. 

El Dr. Markus Ess, jefe de desarrollo de la planta de Starrag en Rorschacherberg, explica: «Además de nuestras competencias principales en los ámbitos de las máquinas herramienta, las herramientas, los accesorios y los sistemas CAM, contamos con una amplia experiencia en proyectos llave en mano. En el sistema de fabricación flexible (FMS), complementamos nuestra tecnología de mecanizado con componentes de automatización y todos los demás elementos necesarios para poder ofrecer al cliente un sistema de producción completo y fiable».

Los referentes establecidos por la última planta son más altos que nunca. El sistema de fabricación flexible (FMS) encargado por esta empresa aeronáutica china debe ser capaz de procesar 35000 álabes de turbina al año mediante procesos automatizados. Este volumen total incluye cuatro tipos diferentes de álabes, con tamaños que van desde los 80 mm hasta los 200 mm. Estos álabes se conocen como «álabes guía variables» y están situados en la parte vertical de la turbina, de modo que pueden ajustarse para modificar el caudal o el empuje según sea necesario. Dado que el tamaño real de los lotes para los cuatro tipos ronda las 200 piezas, el sistema de fabricación flexible (FMS) debe garantizar un alto nivel de precisión y el rendimiento correspondiente, al tiempo que ofrece un alto grado de flexibilidad. 

Un proceso de producción exigente

Anteriormente, la fabricación de álabes se llevaba a cabo sin una automatización significativa en diversas máquinas independientes, y el pulido de los álabes de turbina seguía realizándose a mano como fase final. Por eso el cliente tenía una idea clara de lo que esperaba del nuevo sistema FMS de Starrag y de las ventajas adicionales de las que quería beneficiarse: El proceso tuvo que optimizarse mediante tecnologías de producción modernas, con la máxima fiabilidad y un mayor nivel de calidad en el producto final. Se hizo especial hincapié en la automatización del sistema para evitar cualquier error derivado de la operación manual.

«En cierta medida, el FMS debería ser un sistema de tipo caja negra en el que el operador solo tenga que cargar un cargador con piezas sin mecanizar al inicio del proceso y, al final, retirar los álabes de turbina listos para su instalación», explica Markus Ess. «Diseñar el proceso en su conjunto supuso un gran reto. ¿Qué secuencia de operaciones resulta útil? ¿Cómo se debe realizar la manipulación?»

Por ejemplo, para evitar que la empresa operadora tuviera que cerrar toda la planta al realizar trabajos de mantenimiento, el equipo de desarrollo dirigido por Markus Ess dividió el sistema en dos secciones redundantes casi idénticas. Cada sección cuenta con una zona de preparación, un robot de manipulación montado en un pórtico de 20 metros de longitud, un sistema de lavado, un robot de pulido, un sistema de medición por coordenadas y un sistema de etiquetado. La tarea principal del mecanizado del producto se lleva a cabo mediante un total de siete centros de mecanizado Starrag LX 021, cuatro de los cuales se dedican a un lado, mientras que los otros tres se dedican al otro lado.

Markus Ess

Un robot se encarga de todo el proceso de manipulación

Un almacén de materiales que el operador de la planta carga con piezas sin mecanizar sirve, en cierta medida, de interfaz para la célula automatizada. Es de este almacén de donde el robot de pórtico recoge una pieza en bruto forjada, la sujeta en el primer dispositivo de sujeción y la transporta al centro de mecanizado. La primera fase en el centro de mecanizado consiste en un proceso de medición, durante el cual se compara la geometría prevista de la pieza acabada con la pieza en bruto del álabe. Este proceso se lleva a cabo en el propio centro de mecanizado. Esta primera operación también incluye el fresado del punto de sujeción para la segunda configuración. A continuación, el robot sujeta la pieza en otro dispositivo de sujeción que la transporta de vuelta a la máquina. De este modo, el componente se carga en un sistema de palés que también sirve como un medio compacto de almacenamiento intermedio, separando así el mecanismo de transporte del proceso de mecanizado.

Starrag FMS

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Los centros Starrag se encargan del mecanizado híbrido completo

El siguiente paso es el mecanizado de piezas brutas forjadas en Inconel o titanio. Además de someter los álabes de turbina a un proceso de fresado en cinco ejes, es necesario girar dos fijaciones del eje para permitir el ajuste del álabe durante su uso posterior. «Nuestro LX 021, un centro de mecanizado diseñado para trabajar con componentes pequeños —principalmente álabes de motores de avión— es ideal para este proceso de mecanizado híbrido completo», afirma Markus Ess.

Starrag desarrolló la serie LX pensando específicamente en el mecanizado simultáneo de cinco ejes, altamente preciso y eficiente, de álabes de turbina. La versión más pequeña es la LX 021. «Al ser la primera máquina de álabes, la velocidad de rotación de este sistema es realmente impresionante», destaca el jefe de desarrollo. «Para lograrlo, el LX 021 está equipado con un eje circular de alta velocidad, que alcanza velocidades de hasta 4000 rpm. Esto es imprescindible para el mecanizado completo de álabes pequeños con fijaciones de ejes de aproximadamente 10 mm». En lo que respecta al proceso de fresado, el LX 021 ofrece el alto nivel de precisión que requieren los álabes de turbina de forma libre, gracias no solo a la alta calidad de las máquinas, sino también a la destreza en el proceso de mecanizado: El software RCS CAM desarrollado por Starrag se utiliza para generar los programas de fresado, mientras que las herramientas de fresado de carburo macizo de la empresa garantizan un rendimiento de corte óptimo.

Teniendo en cuenta el volumen anual de piezas que se van a fabricar, los desarrolladores de Starrag calcularon que sería necesario integrar siete centros de mecanizado LX 021 en el sistema de fabricación flexible (FMS). Los siete centros de mecanizado tienen las mismas características y pueden realizar las mismas tareas. 

Los componentes de alta calidad complementan la célula de producción automatizada

Tras el mecanizado, el robot de pórtico transporta los componentes a la estación de lavado. Una vez eliminados todos los restos de refrigerante de los componentes, estos se someten a un proceso de pulido. Un robot programado específicamente para esta tarea garantiza que se cumplan los estrictos requisitos de acabado de la superficie. Después se lleva a cabo la inspección final en una célula de medición de coordenadas 3D, donde se comprueban todas las características especificadas por el cliente. A continuación, se marca el álabe de turbina con un número de identificación único, de modo que se pueda rastrear cada fase de la producción en una etapa posterior. Por último, el robot de pórtico retira el componente completamente fabricado del dispositivo de sujeción final y lo devuelve al almacén de materiales, de donde el operador puede retirar la pieza acabada.

Toda la planta está controlada por un controlador de células con un sistema PPC. Todas las funciones y estrategias necesarias del sistema fueron definidas por el equipo de desarrollo dirigido por Markus Ess. El jefe de desarrollo señala que el pedido no incluye únicamente la célula: Starrag también se encarga de los procesos auxiliares relacionados, como la configuración de las herramientas. «Suministramos equipos adecuados para el encogimiento y la medición, y garantizamos que los datos se transfieran de forma fiable al sistema de fabricación flexible (FMS), asegurando así que los controles del centro de mecanizado dispongan siempre de las geometrías de herramienta correctas».

Dado que Starrag suele actuar como contratista general en la implantación de este tipo de sistemas de fabricación y asume la responsabilidad total del proceso —desde el diseño de la planta hasta la entrega del sistema llave en mano—, la empresa supervisa de cerca a los socios y proveedores que participan en el suministro de cualquier componente adicional. Desde el punto de vista del cliente, Markus Ess considera que lo siguiente es «imprescindible»: «Trabajamos exclusivamente con empresas líderes que están a la altura de nuestro alto nivel de rendimiento y disponibilidad».

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