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Avances en el corte por chorro de agua abrasivo Metal Actual

Versatilidad sin límites.

Estas máquinas nunca antes habían sido tan versátiles. El vertiginoso progreso de la tecnología de corte por chorro de agua 3D hace volar la imaginación de los usuarios. Las innovaciones en modelos de cabezal de corte, en combinación con un software sencillo de utilizar convierten a ésta máquinaherramienta en uno de los sistemas más polivalentes del mercado.

En el universo de los mecanizados no convencionales, hay que destacar los avances que ha experimentado, en los últimos diez años, el corte por chorro de agua abrasivo. Y es que, aunque no todos los requerimientos industriales son iguales, ni todas las necesidades de producción son idénticas, ni los procesos de corte son comparables; sin duda, hoy por hoy, la tecnología water jet, como se conoce en inglés, es el único método de mecanizado que literalmente puede cortar casi cualquier material y geometría, sin necesidad de procesos de acabado posteriores. En la reciente década los fabricantes han perfeccionado la tecnología de corte por agua equipando las máquinas con nuevos desarrollos y sofisticados software, lo que ha

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MAQUINARIA permitido obtener cortes más precisos y rápidos de todo tipo de formas, incluso con los más complejos diseños en 3D. Ahora se pueden fabricar piezas con mayor precisión y más rápido, lo cual reduce costos y aumenta la producción. Los equipos de última generación han ampliado su aplicabilidad e incluyen uno o dos cabezales articulados de cinco ejes, sistemas de movimiento y posicionamiento láser, bombas intensificadoras que elevan la potencia y la velocidad dos y hasta tres veces más que las de las máquinas estándar. Además, cuentan con mesas extensibles, más accesibles y sencillas de operar, también tienen modernos sistemas de alimentación y extracción del abrasivo, lo que mejora ostensiblemente el acabado final de la pieza.

3D en corte por agua

Para lograr esto, los fabricantes incorporaron en sus máquinas cabezales articulados, que pueden inclinarse en cualquier sentido, con los tres ejes lineales tradicionales (X,Y,Z) y dos ejes adicionales angulares de inclinación, además de la rotación de la boquilla de corte. En algunos equipos el movimiento de la pieza se convierte en un sexto eje. El eje rotativo permite realizar cortes en toda clase de tubería, tanto circular como cuadrada, además del corte de piezas más complejas después de indexar los parámetros y la forma en el software CAD/CAM. Según explica, Luis Guillermo González, Director de la línea CNC de la compañía Imocom, “gracias a la pronunciada inclinación de los modernos cabezales de chorro de agua, de hasta 45° y 60°, y a la rotación sobre su propio eje de 360°, está tecnología es una de las más versátiles y multifacéticas de la industria”.

Foto: img.directindustry.com

Aunque las operaciones de cinco ejes como el corte de bisel y los mecanizados de geometrías complejas han sido posibles en máquinas de chorro de agua con abrasivo hace más de

diez años, la capacidad para procesar partes complejas en 3D, como tubos de lámina delgada y gruesa, y otras piezas cilíndricas en estos equipos es relativamente nueva.

El corte por chorro de agua que usa cinco ejes para obtener un control de movimiento de seis ejes permite cortar fuselajes de aviones, paneles de automóviles, partes para electrodomésticos, aspas giratorias y piezas de chapa metálica, entre muchas otras.

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Así mismo, los fabricantes han perfeccionado el posicionamiento del cabezal con respecto a la pieza y la máquina gracias al uso de sensores láser de alineación, de seguimiento y sensores de altura y anticolisión. El cabezal 3D opera con sensores de detección de altura constante, esto le permite recorrer toda el área de corte con el objetivo de mantener siempre la distancia correcta entre la boquilla y la pieza. Las desviaciones que podrían tener lugar, como consecuencia de la curvatura de la lámina o porque el material se encuentre apoyado de manera desigual sobre las parrillas de corte, son corregidas automáticamente. Además el sensor de altura previene colisiones del cabezal en trabajos 3D; por ejemplo, con las piezas cortadas que se hayan podido levantar. El corte de piezas tridimensionales se une a la ya reconocida ventaja de esta tecnología de maquinar materiales superduros de gran espesor; con lo cual, ahora, no solamente se puede atravesar cualquier sustrato sino que también se abre un abanico de posibilidades para crear formas y piezas complejas con tolerancias precisas. Adicionalmente, Gonzalez explicó que para alcanzar la tecnología tridimensional de corte por chorro abrasivo no es necesario adquirir una máquina de última generación, ya que existe la posibilidad de adaptar las tradicionales máquinas de corte 2D para cortar 3D. En este sentido, el experto recomienda solicitar asesoría con los proveedores y fabricantes, especialmente para realizar los cambios de los cabezales, las bombas y el software. Otra de las novedades de algunas máquinas de corte por chorro de agua es que pueden estar equipadas con dos cabezales 3D que trabajan en paralelo. Esto no solo incrementa las posibilidades, sino además la productividad. Cuando los niveles de pedidos son bajos, es posible además adaptar un solo cabezal 3D. Más

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MAQUINARIA Los cabezales de articulación y las unidades rotatorias proporcionaron el movimiento requerido para el corte con chorro de agua de cinco ejes, pero son las mejoras en la programación de las máquinas las que realmente hicieron avanzar la capacidad del corte. Inicialmente, los equipos podían programarse manualmente, pero la tarea era muy complicada y llevaba muchísimo tiempo. Sin embargo, actualmente los desarrolladores han creado software para soportar el movimiento coordinando los ejes múltiples y el procesamiento de partes en 3D. Con este software, los talleres pueden programar y cortar patrones en 3D fácil y rápidamente para diversas aplicaciones, desde los comunes bloques de acero y la tubería, hasta realizar operaciones de acoplamiento, cortes de chaflán y biseles.

Foto: mechanismus.eu

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El posicionamiento preciso del cabezal de corte en relación a la superficie de corte es crucial para un corte 3D exitoso.

aun, este cabezal de corte puede ser usado por varias máquinas del mismo tipo. El intercambio de los cabezales de corte puede llevarse a cabo sin esfuerzo por los operarios. El chorro de agua 3D es muy empleado en la aeronáutica, pues el costo de aleaciones especiales ultralivianas de alta resistencia, como el aluminio aeronáutico, el inconel y el titanio, entre otras, ha hecho que la manufactura de partes a través de éste método tenga un alto nivel de aprovechamiento de la materia prima, comparado con el fresado o el torneado. Una justificación similar se ha dado más recientemente en el sector médico, en la fabricación de prótesis, implantes e instrumental quirúrgico. En piezas tridimensionales más complejas donde no es posible el mecanizado total y es obligatorio el uso de otras tecnologías como el fresado o el torneado CNC, el chorro de agua es un complemento que permite realizar operaciones de desbaste y/o

semiacabado a velocidades mayores y con menor desperdicio de materia prima, ya que muchas veces es posible salvar material que por fresado o torneado se convertiría en viruta.

Para que la actual tecnología de corte por chorro sea aún más amigable con el usuario, el software de control avanzado tiene una multitud de subrutinas de mecanizado de todo tipo, embebidas en el control de la máquina. Por ejemplo, si un operador quiere programar el equipo para cortar dos cilindros que se unirán posteriormente, sencillamente ingresa en la pantalla del

La esencia del proceso El corte por chorro de agua es un proceso de índole mecánica mediante el cual se consigue cortar un material, haciendo impactar sobre éste un chorro de agua a gran velocidad que produce el acabado deseado. Hoy ya es un recurso habitual a la hora de mecanizar piezas. Es una herramienta muy versátil cuya aplicación es extensible a prácticamente todos los trabajos de la industria. Las tolerancias alcanzables por un buen sistema de corte por chorro de agua están alrededor de +/- 0.001, es decir 25 micras. Tal como explica Luis Guillermo González, ingeniero de Imocom, existen modelos con los que es posible cortar piezas dentro de una repetitividad de 2.5 micras y con una circularidad en interpolaciones de 15 micras. El método se puede emplear, sin corte, para preparar superficies, la limpieza de barcos, automóviles y en la industria aeroespacial. No genera contaminantes ni comporta oxidación superficial. Además, la generación de viruta no es un problema. La máquina dispone de un recipiente para recibir el chorro de agua y el material eliminado. El abrasivo usado se puede reciclar para reutilizarlo. Este proceso no endurece el material ni lo deforma por lo que, en este sentido, es más útil que el láser, el oxicorte o el plasma. Así mismo, al no haber herramientas de corte no existe el desgaste de la misma. Es un proceso sin exfoliación ni desgarros, apto para mecanizar perfiles intricados. Tampoco hay tensiones residuales debido a que el proceso no genera esfuerzos de corte. Además no genera gases.1

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MAQUINARIA representa dos terceras partes del costo de funcionamiento de la máquina. En suma, utilizar entre 30% y 50% menos abrasivo con una bomba moderna ahorra dinero.

Fotos: www.amprom.co.nz

La gran evolución de las máquinas en este campo radica en el uso de bombas intensificadoras, las cuales entraron a acompañar o, en muchos casos, a reemplazar totalmente las bombas de accionamiento directo. Tradicionalmente, las máquinas estaban provistas con bombas industriales de alta presión de accionamiento directo, que funcionan de la misma manera que un lavado a presión para limpiar vehículos o fachadas.

subprograma de control e introduce los diámetros de los cilindros que se van a unir, así como el ángulo de intersección deseado. A partir de allí el software hace automáticamente todos los cálculos necesarios. El programa avanzado para 3D con frecuencia puede enlazarse a otros sistemas CAD/CAM comunes. Esto permite a los talleres programar las máquinas en paquetes de software con los que ya se sienten cómodos y que ya están usando. Luego los archivos CAD se transfieren al software de control de la máquina y se producen instrucciones para el movimiento correcto de la máquina.

Mach 4, alta presión Desde la aparición de la tecnología por chorro de agua a principios de la década de 1970, las presiones de corte se han incrementado de manera constante y uniforme. El motivo es sencillo: a mayor presión se incrementa la productividad. Actualmente, las bombas que incorporan las máquinas ofrecen una fuerza de corte de hasta 94.000 psi, es decir 34.000 psi adicionales a la

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En la última década se popularizó el uso de bombas intensificadoras; las cuales, además del circuito de agua vienen acompañadas de un circuito hidráulico y un atenuador. presión máxima de los tradicionales equipos de la década del 2000, que se hacían llamar de ultra-alta presión. A mayor presión también la velocidad aumenta con lo que el chorro alcanza niveles de mach 4, cuatro veces la velocidad del sonido, es decir 1.360 m/s. Lo que puede perforar desde piedra hasta aluminio, acero endurecido o materiales compuestos. Como consecuencia de la aceleración del chorro de agua abrasivo al nivel más rápido disponible hoy día, las velocidades de corte se incrementan entre 30% y 50%; independientemente del material o del grosor que se corte. Mayores velocidades y aumento en la producción no significa que los costos sean más elevados: las nuevas bombas son menos costosas de operar, ya que a medida que la presión se eleva, el chorro se mueve más rápido y reduce su diámetro, esto significa que arrastra menos insumo abrasivo y por ende se produce un ahorro en el consumible. Esto es muy importante, si se tienen en cuenta que el material abrasivo

Mientras el circuito de agua es el encargado de recibir el líquido, filtrarlo y llevarlo por todo el sistema, aproximadamente a 90 psi, el mecanismo hidráulico, que incluye un motor eléctrico (de entre 25 a 200 caballos de potencia), presuriza el agua hasta 94.000 psi, y la encausa continuamente para que el cabezal de corte la convierta en un chorro supersónico. Incluso, los profesionales del chorro de agua además pueden agregar una segunda bomba a sus máquinas. El uso de una segunda bomba aumenta el volumen máximo de agua bombeada a través de una boquilla, aumentando espectacularmente las velocidades de corte. Un sistema de dos bombas además ofrece una ventaja obvia para quienes han integrado un segundo puente en Y, pues de otra manera cada boquilla tendría flujo reducido. Por último, agregar una segunda bomba minimiza el tiempo improductivo de la máquina, pues puede usarse una bomba para mantener la máquina en funcionamiento mientras que la otra recibe mantenimiento de rutina.

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MAQUINARIA En este caso, un alimentador de granate introduce el material a la máquina mediante un sistema neumático de banda transportadora. El operador carga una gran cantidad de granate en un recipiente a presión, y luego la presión de aire de 20 a 50 psi lo impulsa a través de una manguera hacia una cámara más pequeña, ubicada cerca de la boquilla. Usualmente, esta cámara acepta suficiente granate para permitir que el recipiente a presión sea recargado sin detener la máquina, permitiendo una operación continua.

Foto: www.icubed.biz

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Un chorro de agua a muy alta presión (94.000 psi) por una pequeña boquilla que lo acelera a cuatro veces la velocidad del sonido, aprox. 4.900 km/Hr.

Ventajas del corte por chorro de agua en la industria • Los materiales no se deforman debido al calor. • Los materiales no se endurecen a lo largo del borde de corte. • No se producen cambios en la estructura metálica.

• No hay zonas afectadas por el calor (HAZ, por sus siglas en inglés). • No se generan vapores ni humo tóxicos. • No es necesaria ninguna rectificación o esta es mínima. • Presenta niveles de tolerancia de +/-0,076 mm (0,003 pulg.). • Permite cortar en todas las direcciones. Presenta niveles mínimos de tolerancia. No se desperdician materias primas. • Ofrece un corte más rápido con velocidades de hasta mach 4 con presión de agua (94.000 psi/6.400 bar).

Mejoras de automatización

Foto: fablab.cl

Otro elemento interesante de la evolución de estos equipos es la posibilidad de automatizar algunos pasos del proceso que antes se hacían de manera manual exclusivamente.

Silla elaborada con tecnología por chorro de agua abrasivo en el Laboratorio Creativo de Chile (Fabricame.com).

El ejemplo más claro es la automatización de la alimentación de la arena abrasiva en la máquina, lo cual depende, en gran medida de cuánto opere un taller su centro de chorro de agua. Quienes lo usan poco pueden cargar manualmente el granate (el material más empleado para el corte). Para talleres que operan la máquina con más frecuencia los accesorios automatizados pueden resultar útiles.

Finalmente, comparadas con las máquinas tradicionales, las nuevas tecnologías incluyen mesas de corte modulares expansibles, lo que aumenta las posibilidades del taller de maquinar piezas de gran tamaño. A su vez, estas mesas hoy son más accesibles y cómodas para el operador, cuentan con luces sobre los cabezales que facilitan la visibilidad de la zona de trabajo y reducen la fatiga del operador. Además, los comandos de operación (controles de agua, aire, presión, etc.) están ubicados en lugares de rápido acceso.

Limitantes a tener en cuenta Los nuevos desarrollos de esta tecnología no sólo traen consigo beneficios para el proceso, también implican algunas limitantes que el operador debería considerar. Entre otras, el aumento tanto de la presión como de la velocidad también incrementa el desgaste de las piezas que están en contacto con el chorro de agua, especialmente de la boquilla. De hecho, se dice que las máquinas de chorro de agua con abrasivo son susceptibles a autodestruirse, pues simplemente hay que combinar 90,000 libras por pulgada cuadrada de presión de agua con abrasivo, y cualquier parte del sistema que entre en contacto con alguno de estos elementos necesitará ser reemplazada en algún punto. No sólo la boquilla de la máquina se desgasta, también sucede con el tubo mezclador, el lugar donde el

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MAQUINARIA material abrasivo y el agua a ultra alta presión se mezclan, para luego salir y realizar las tareas de corte. Estos tubos están hechos de carburo y pueden durar hasta 2,5 semanas, según el uso real, el tipo de material abrasivo, etc. Muchas variables entran en juego cuando se calcula la vida útil de los tubos mezcladores. A medida que el tubo mezclador se desgasta, se agranda, lo que permite que el agua salga en un haz más amplio, provocando un corte menos preciso. En algunos casos esto no constituye un problema, pero en trabajos de alta precisión es necesario examinar periódicamente el tubo mezclador para detectar si hay desgaste. La mayoría de los usuarios de chorro de agua no descartan sus tubos mezcladores gastados, sino que los utilizan para cortes bastos o trabajos de baja precisión. Así las cosas, la clave es la monitorización permanente del proceso y de los componentes de la máquina que interactúan directamente con el chorro. Esto no sólo evitará un desgaste prematuro, sino que permitirá estar atento a cualquier otro fallo, como los causados por

atascos de abrasivo, que son muy comunes y pueden dar lugar a un atasco de la boquilla o a un atasco en el conducto de abrasivo. Hoy por hoy existen diversos métodos de medir y establecer el desgaste de los componente, entre otros, se sitúa un micrófono junto al cabezal de corte y se mide el ruido generado durante el proceso relacionando las variaciones en las señales recogidas con desgastes o roturas de las distintas piezas. La detección de desgastes y roturas es también posible con sensores de emisiones acústicas y con la medición del nivel de vacío en la cámara de mezclas. Otro factor relevante de las máquinas modernas es que necesitan trabajar con agua de alta calidad. Éste es quizás el mayor factor que controla los costos de los consumibles. El agua dura puede acortar la vida esperada de los componentes consumibles al menos a la mitad. Al respecto, expertos de la empresa Rexco Tool, proveedora de estos equipos, consideran que antes de comprar un chorro de agua de última generación, el empresario debe analizar el agua de entrada. Es imperativo que

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Foto: epl.hu

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la calidad del agua cumpla con las especificaciones del fabricante del chorro de agua si es que se va a operar como fue diseñado. La mayoría de los fabricantes de bombas quieren ver menos de 100 partes por millón (PPM) de sólidos totales disueltos (TDS), una medida que rastrea la cantidad de sólidos inorgánicos disueltos en el agua tales como el calcio y el magnesio, y que contribuyen a la dureza del líquido. Menos de 10 PPM de TDS también puede crear problemas, pues el agua realmente filtrará material de cualquier componente que toque. Los equipos modernos incluyen un software de diagnóstico, el cual es de gran importancia para darle mantenimiento tanto a los componentes

susceptibles de desgaste como a la bomba, el corazón de la máquina. El software monitorea las presiones, las temperaturas del aceite, del aire y del agua y la vida del filtro, y prueba si hay fugas en las válvulas de no retorno. Da advertencias antes de una falla, de forma que pueda planearse el mantenimiento. En algunos casos, el software de diagnóstico remoto permite que el técnico de servicio monitoree el funcionamiento de la bomba, además puede usarse para que el operador monitoree el funcionamiento del chorro de agua mientras está fuera del sitio.

agua no es una tecnología que está al alcance de todos los industriales, conforme más talleres de fabricación adopten, por ejemplo, las máquinas de cinco ejes en un intento por diversificar sus negocios y competir, seguramente tendrán más oportunidades de acortar las brechas industriales. Se prevé que esta tecnología sea empleada para cortar nuevos tipos de materiales, no solo metales. Dicha capacidad resultará ser sumamente benéfica conforme más diseños de componentes incorporen menos materiales metálicos y más materiales de tipo compuesto, como la fibra de carbono, o de tipo cerámico.

Finalmente, cabe decir que si bien es cierto que el corte por chorro de Citas

Foto: www.bystronic.com

1) Para conocer las generalidades de esta tecnología véase el artículo “Equipos de corte por chorro de agua” publicado en la página 35 de la edición 09 de la Revista Metal Actual, o consulte la página web: www.metalactual.com/revista/9/herramientas_de_corte.pdf.

Fuente • Luis Guillermo González Cristancho. Gerente de Línea CNC Imocom S.A. División metalmecánica. [email protected]. • Johana Beltrán. Ingeniera experta en procesamiento de lámina de RexcoTools. lamina@ campostools.com

Las nuevas máquinas por chorro de agua abrasivo cuentan con mesas de corte más amplias, comandos sencillos y fácil de operar.

• www.flowwaterjet.com - www.bystronic. es - www.interempresas.net/

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