El corte por láser llega al OEM automotriz

Jun 16, 2023

Dos transportadores telescópicos anchos se mueven en tándem debajo de los cabezales de corte por láser activos, manteniendo un espacio constante debajo para evacuar los humos y el material fundido.

Un día, a principios de 1974, los editores de The FABRICATOR examinaron detenidamente un manuscrito sobre una tecnología de última generación que había pasado años en el laboratorio pero que apenas comenzaba a aparecer en el taller de fabricación. Junto a una foto granulada de un láser de CO2 de 500 vatios montado en una máquina de corte de oxicorte, el artículo decía: "Ahora, después de todos estos años de promesas, los láseres se han convertido en una herramienta aceptable para trabajar el metal".

Esto resultó ser un eufemismo. Todos estos años después, el láser domina la fabricación de chapa de precisión. Ha florecido en parte debido a su capacidad para cortar cualquier forma en cualquier orientación. Los diseños de nido en un láser de cama plana en un taller de trabajo de bajo volumen y alta combinación de productos se asemejan a obras de arte.

Por supuesto, a medida que crecen los volúmenes de pedidos, el corte por láser tradicionalmente tiene menos sentido económico. Este siguió siendo el caso incluso cuando el láser de fibra arrasó en el mercado hace más de una década. Un láser de fibra increíblemente rápido parece increíblemente productivo, pero el cabezal de corte aún necesita rastrear el perfil de la pieza.

Una prensa de estampado puede cortar el perfil de una pieza en bruto de una sola vez, de ahí el dominio de la prensa de estampado en el estampado de alto volumen, particularmente en la industria automotriz. No hay forma de que un láser pueda superar a una línea de troquelado tradicional con prensas de estampado mecánicas, ¿verdad?

No necesariamente. Las líneas de corte láser han llegado a algunos de los primeros usuarios de todo el mundo, incluido SET Enterprises, un centro de servicios de metal con sede en Michigan. En 2016, Daimler instaló dos líneas de corte láser en la planta de Mercedes-Benz en Kuppenheim, Alemania. Una línea más de corte por láser comenzó a producir en otra planta de Mercedes-Benz en Alemania a principios de este año, y una cuarta línea está en etapa de ensamblaje.

Las últimas líneas de corte por láser exhiben la flexibilidad "sin herramientas" que la mayoría de los fabricantes de metal con láseres de corte plano han disfrutado durante años. Pero algunas líneas de corte láser también igualan, y en ocasiones superan, la velocidad de muchas líneas de corte basadas en prensa instaladas en todo el mundo. Es una hazaña que los editores de The FABRICATOR en 1974 probablemente no podrían haber imaginado.

El término eliminación por láser no es nuevo, pero puede generar confusión, especialmente para quienes están fuera de la cadena de suministro automotriz. No está relacionado de ninguna manera con "piezas en bruto soldadas a medida", a veces llamadas "piezas en bruto soldadas con láser", en las que diferentes perfiles cortados se unen mediante soldadura láser para crear una única pieza en bruto que tiene propiedades adaptadas a la aplicación.

El concepto detrás del corte por láser en los EE. UU. se remonta a la década de 1990. Alrededor del cambio de milenio, un consorcio de varias empresas llamado Laser Blanking Central hizo una pregunta que, en retrospectiva, se adelantó a su tiempo: ¿Qué pasaría si una prensa de corte pudiera ser reemplazada por un sistema de corte por láser alimentado por bobina?

El grupo, que incluía empresas como DCT en Sterling Heights, Michigan, y Alabama Laser Systems en Munford, Alabama, junto con expertos en láser como Charles Caristan (ahora miembro técnico de Air Liquide), desarrolló algunos conceptos iniciales. Se alimentaría una bobina a un nivelador de precisión, luego a una cama de corte por láser, después de lo cual los robots u otros dispositivos descargarían las piezas cortadas y (cuando fuera necesario) desecharían el esqueleto. Desde entonces, la tecnología avanzada, incluido el láser de fibra de alto brillo, ha hecho realidad ese concepto.

La industria automotriz actual tiene más variación de modelos que nunca, lo que por supuesto ha hecho que los cambios de troqueles sean un objetivo para mejorar. El intercambio de troqueles en un solo minuto (SMED) es una gran idea, pero no tener un troquel para cambiar en primer lugar es aún mejor.

Cada uno de los tres cabezales láser del sistema tiene su propio pórtico.

Un troquel de corte es más rentable cuando produce espacios en blanco con líneas rectas y ángulos. Un láser prefiere trabajar con una pieza en bruto contorneada, donde el cabezal de corte nunca tiene que desacelerar por completo, girar y acelerar alrededor de una esquina afilada, y sucede que muchas de esas formas contorneadas ayudan a la formabilidad en una prensa de estampado, particularmente para el proceso de dibujo Independientemente de la forma de la pieza en bruto, la eliminación por láser permite a los ingenieros modificarla para obtener una mejor formación.

Los automóviles y camionetas del futuro también deberán ser más livianos y seguros, de ahí la demanda de aceros avanzados de alta resistencia y otros materiales con relaciones de resistencia a espesor aparentemente en constante crecimiento. Estos materiales no son amables con los troqueles en blanco. Al láser, por otro lado, no le importa la resistencia a la tracción de un material, solo el grosor y la capacidad del grado del material para absorber la energía del láser. El corte por láser no elimina todas las preocupaciones sobre los materiales de alta resistencia (el material alimentado por bobina aún debe nivelarse antes de que llegue a los cabezales de corte por láser), pero quitar el troquel de corte mitiga una buena cantidad de obstáculos técnicos.

Andreas Heuer, jefe de tecnología de conformado de Mercedes-Benz para las plantas de Gaggenau y Kuppenheim, comenzó a observar el proceso al principio por razones puramente pragmáticas: la empresa no quería modificar su planta existente para dejar espacio para enormes cimientos de máquinas, bucles pozos y una bahía alta para las grúas puente necesarias para cambiar los troqueles de obturación.

"No tenemos necesidad de espacio adicional para el almacenamiento de troqueles, y ya no necesitamos grúas aéreas para cambiar los troqueles", dijo. "La alta flexibilidad que viene con esta tecnología también es muy beneficiosa para nosotros, porque tenemos un número cada vez mayor de tipos de vehículos.

"[El corte por láser] también ha simplificado los cambios geométricos durante la introducción de nuevos juegos de troqueles [para la formación]", continuó Heuer, y agregó que algunos cambios en la geometría del corte han ayudado a los procesos de dibujo posteriores. "Para algunos conjuntos, creamos de seis a ocho geometrías [en blanco] diferentes. Esto nos ha permitido implementar cambios rápidamente sin interrumpir la producción actual".

Daimler ahora está utilizando el corte por láser para producir varios componentes de la carrocería externa crítica desde el punto de vista estético. "La planta está logrando una velocidad de línea en algunas aplicaciones de hasta 60 metros por minuto", dijo Manuel Hunger, director de ventas de Schuler, con sede en Alemania, que diseñó y construyó las líneas de corte láser de Daimler. “Por ejemplo, la línea ha producido más de 40 campanas por minuto”.

"Cortamos espacios en blanco para todas las partes exteriores de la carrocería y partes estructurales más grandes para la carrocería principal de los automóviles y camiones Mercedes-Benz", continuó Heuer. "Utilizamos los grados típicos utilizados por otros fabricantes de automóviles, como acero galvanizado y aluminio, que van desde 0,65 a 1,5 mm de espesor".

Mirar la línea de borrado láser de la planta en acción es como ver un baile muy coreografiado, en el que cada componente electrónico y mecánico desempeña un papel fundamental. Se carga una bobina en un sistema de pago de doble bobina mientras la bobina anterior está en proceso. Si el material nuevo lo requiere, los cassettes niveladores de rodillos de precisión se intercambian automáticamente en unos pocos minutos. Cuando se necesita un cambio de bobina, el desenrollador recoge y presenta la nueva bobina, que se alimenta con holgura (sin pozo de bucle) a través del nivelador y hacia el sistema de corte por láser.

El área de trabajo de corte por láser tiene tres cabezales de corte por láser, cada uno con una fuente de alimentación de láser de fibra IPG de 4 kW independiente. Las cabezas se mueven en la dirección X así como en Y (a través de la tira).

Hunger dijo que tener tres cabezales de corte por láser logra un buen equilibrio. Tener menos cabezales reduce la velocidad de borrado, mientras que tener más cabezales conduce a un número excesivo de perforaciones, aceleraciones y desaceleraciones, simplemente porque cada cabezal láser estaría cortando solo una pequeña porción del nido que pasa por debajo. Y como parte de una hoja de alimentación continua, el nido realmente "pasa por debajo" del láser.

Las piezas cortadas se apilan, se transportan fuera del sistema y se colocan en etapas, listas para ser transportadas aguas abajo.

La tecnología central del corte por láser no radica en el corte por láser en sí, sino en lo que sucede debajo del corte. La tira debe seguir moviéndose, tener espacio debajo para evacuar el material fundido y permanecer totalmente apoyada, todo al mismo tiempo.

Para que esto suceda, los sistemas de corte por láser hacen un uso inteligente de los transportadores telescópicos. En los sistemas de supresión láser de Daimler, dos cintas transportadoras anchas, una delante de los cabezales láser activos y otra detrás, colocadas con un espacio constante entre ellas, se mueven hacia adelante y hacia atrás en la dirección X (con y contra el flujo de material), sincronizados. con la acción de corte. Esto asegura que el sistema siempre mantenga un espacio constante debajo de la acción de corte, donde la gravedad y el vacío extraen el material fundido, las partículas y el humo lejos del corte mismo. Schuler llama a este transportador sincronizado y sistema de extracción de humos "Tecnología DynamicFlow".

Después del corte viene el desensamblado y el apilado, dos elementos críticos sin los cuales el corte por láser no tendría mucho sentido. Sí, algunos sistemas de corte por láser se han vuelto tan rápidos en ciertas aplicaciones que están superando a algunos sistemas de corte convencionales, pero ese hecho no significaría mucho si los espacios en blanco tuvieran que clasificarse manualmente.

Como explicó Hunger, el corte por láser tiene varios escenarios de eliminación, donde las piezas buenas se separan de los desechos. El primero involucra trabajos que cortan nidos que no dejan desperdicio alguno. Los cofres cortados con láser de Daimler, cortados con líneas comunes uno tras otro, son un buen ejemplo. Los espacios en blanco de la campana abarcan todo el ancho de la tira, emergen de la celda láser, pasan por un proceso de limpieza y luego se envían por transportadores separados a apiladores de alto rendimiento que son similares a los que se usan en las líneas de corte tradicionales.

"Estamos haciendo esto [en Daimler] porque el apilamiento de robots no es lo suficientemente rápido para la aplicación", dijo Hunger.

Otro escenario de eliminación implica un nido con chatarra que se cae en la llamada operación de "desprendimiento por gravedad", que ocurre fuera del área de trabajo del láser. Este método funciona solo si la chatarra se orienta y se forma de tal manera que se caiga fácilmente de la tira.

Desde aquí, el apilamiento puede ocurrir de dos maneras. Si la orientación de la pieza lo permite y se demuestra que el desprendimiento por gravedad es confiable, entonces las piezas cortadas pueden fluir directamente a los apiladores, tal como lo harían en una situación sin desperdicios, mientras que los desperdicios caen en una tolva de desperdicios y en un papelera. Alternativamente, una serie de robots puede sacar las partes del esqueleto y transportarlas sobre la tolva de chatarra hacia una cinta transportadora que conduce al apilador.

Daimler limpia partes externas del cuerpo cosméticamente críticas, de ahí la necesidad de un proceso de limpieza de piezas en bruto con cepillo después del corte por láser. "La contaminación por suciedad y polvo eran las principales preocupaciones para nosotros", dijo Heuer, y agregó que incluso sin el paso de limpieza adicional, el proceso dejaba "solo un polvo menor que sería irrelevante para los siguientes pasos del proceso".

"A partir de hoy podemos decir que el equipo, al igual que las líneas de corte tradicionales, necesita una limpieza frecuente para garantizar la limpieza del corte. Actualmente hacemos una limpieza estándar quincenal y una limpieza intensiva semestral de todos los transportadores".

"Para reducir la limpieza manual de la línea, cada cinta transportadora puede equiparse con una unidad de limpieza con cepillo", agregó Hunger.

Andreas Heuer, director de tecnología de formación de Mercedes-Benz para las plantas de Gaggenau y Kuppenheim, ha gestionado la transición de la planta de Kuppenheim al corte por láser, que comenzó en 2017. Fotografía cortesía de Daimler AG.

Según Hunger, las líneas de Daimler están alcanzando niveles de efectividad general del equipo (OEE) superiores al 75 por ciento. "Nunca hemos sido capaces de alcanzar tal nivel en una línea de corte convencional", dijo.

Al ser uno de los primeros en adoptar, Heuer considera que el corte por láser eventualmente se convertirá en el proceso de corte dominante en la industria automotriz. "En mi opinión, el corte por láser sustituirá al corte convencional. La tecnología es una forma moderna e innovadora de optimizar el proceso de corte y aumentar la eficiencia. Y los troqueles optimizados para geometrías de corte por láser ayudarán a que el corte por láser sea más beneficioso".

¿Qué pasa con otras áreas de la fabricación de metal? Según Hunger, la tecnología eventualmente podría encontrar un hogar en más centros de servicio fuera de la cadena de suministro automotriz, e incluso en grandes fabricantes de láminas de metal, particularmente aquellos que consumen una gran cantidad de ciertos grados y espesores de material, suficiente para comprar una bobina en un tiempo.

Los cambios de bobina y casete nivelador ofrecen un cambio rápido de un material a otro. Daimler, por ejemplo, utiliza un proceso automatizado en el que un operador inspecciona el material e inicia el cambio.

Los elementos críticos son el desanidado y el apilado. Como explicó Hunger, ciertos enfoques de anidación automatizados en un borrador láser pueden seguir algunas de las mismas estrategias que la anidación automatizada de un láser de superficie plana. Por ejemplo, las piezas más pequeñas se pueden juntar y levantar con el robot como una sola unidad.

Por supuesto, los volúmenes de las piezas deben ser adecuados. "El sistema de corte por láser no es ideal para manejar [muchas] formas diferentes al mismo tiempo", dijo Hunger, y agregó que también requiere que las partes sin pestañas tengan al menos 250 mm de largo o ancho.

Seguro, los talleres de fabricación de prototipos y alta combinación y bajo volumen probablemente no verán un uso para dicho equipo de corte láser en el futuro previsible. Pero si crece el volumen parcial, la historia podría cambiar. Si la combinación de perfiles cortados de un fabricante o un centro de servicio se puede desensamblar, apilar y enviar rápidamente hacia abajo de manera confiable, el corte por láser se convierte en una posibilidad clara.

Los robots agarran y apilan piezas cortadas. Las piezas que no requieren recolección robótica fluyen directamente a un apilador.