Una mirada holística a la voladura automatizada en el taller de fabricación de metal moderno

La automatización de una operación de granallado debe centrarse en la eficiencia, como cuántas piezas se pueden granallar en un período determinado, pero esa no debe ser la única consideración.

Las operaciones modernas de fabricación de metales no son como los talleres de fabricación de antaño. Muchos están limpios, bien iluminados, con empleados que trabajan con aire fresco y filtrado. Sí, algunas operaciones en la fabricación son, bueno, simplemente sucias, y la voladura manual es un excelente ejemplo. El trabajo no es agradable, requiere equipo de protección y, si las cabinas no se mantienen o no se configuran correctamente, pueden limitar el flujo de trabajo de manera grave.

Abundan las opciones en la automatización de voladuras, pero antes de sumergirse en toda esa magia tecnológica, intente sentar las bases respondiendo una pregunta fundamental: ¿Qué debe lograr la operación de voladuras?

El granallado (o simplemente "granallado" si se usa un medio diferente al granalla) prepara una superficie de metal, mientras que el granallado tiene como objetivo cambiar las propiedades del metal (consulte la Figura 1). Ciertas aplicaciones aeroespaciales requieren niveles precisos de alivio de tensión (u otros cambios en las propiedades del material) y utilizan tecnologías especializadas de granallado para lograrlo. El granallado de precisión de los trenes de aterrizaje es un excelente ejemplo, ya que el proceso optimiza las tensiones superficiales, eliminando las microfisuras y los elevadores de tensión a su alrededor.

La mayoría de los fabricantes de metal emplean la limpieza con chorro para la gran mayoría de sus aplicaciones, limpiando y preparando una superficie metálica para el siguiente paso de fabricación, generalmente pintura. Si una viga o placa no se chorrea correctamente, la pintura no se adherirá correctamente. Sin embargo, algunas operaciones de fabricación emplean un tipo de granallado, no tan preciso como las aplicaciones de granallado de alta gama, pero es granallado de todos modos, con los medios impactando la superficie y causando tensiones de compresión que tienen como objetivo cambiar las propiedades del material.

Imagine fabricar un cuenco que se utilizará en un entorno de alta vibración. Las soldaduras dentro de esos tazones necesitan una cierta cantidad de alivio de tensión, y el granallado ayuda a lograrlo. Para garantizar un alivio de tensión adecuado para las soldaduras, la aplicación puede optar por utilizar perdigones grandes, que pueden tener un efecto de granallado que penetra más profundamente en la superficie. Alternativamente, la operación podría optar por usar el mismo disparo que usa para las aplicaciones de limpieza con chorro, aunque extendiendo el tiempo del ciclo para lograr el efecto granallado requerido dentro de la pieza.

Una vez más, la mayoría de los fabricantes necesitan preparar la superficie de una pieza de trabajo para operaciones posteriores como la pintura, por lo que están chorreando (no granallando). Cuanto mayor sea la calidad del acabado final, más importante será la preparación de la superficie. Dicho de otra manera, un recubrimiento de alta calidad y alta consistencia requiere una preparación de la superficie de alta calidad. Un panel de automóvil requiere una preparación de superficie muy diferente en comparación con una viga estructural.

¿En qué parte de la secuencia de fabricación tiene más sentido chorrear? ¿Se granallan las placas cortadas para prepararlas para los procesos posteriores, o se granallará la fabricación completa después de doblarla y soldarla? Aplicar el chorreado al material entrante puede parecer contradictorio, especialmente si es necesario chorrear las soldaduras de todos modos. Después de todo, la mayoría de las operaciones que emplean granallado lo hacen justo antes de que entre en el proceso de recubrimiento final.

Aún así, la voladura no siempre tiene que ocurrir al final del flujo de valor. A veces, el material más limpio que ingresa al taller puede ayudar a los procesos posteriores, como el corte y la soldadura, y puede ayudar a agilizar significativamente la operación de acabado final. Algunas operaciones pueden optar por automatizar el granallado del material entrante y mantener manual el granallado final de las soldaduras, antes de que el trabajo entre en el proceso de recubrimiento final. La operación no está completamente automatizada, pero debido a que el material entrante está limpio, el rendimiento general aumenta drásticamente y el tiempo y la mano de obra necesarios para el granallado manual de las piezas fabricadas se reducen significativamente.

El recubrimiento tampoco necesariamente tiene que ocurrir al final de la producción. Por ejemplo, algunos astilleros chorrean la placa entrante, la impriman con un imprimador soldable y luego la sueldan. Luego, el trabajo se vuelve a granallar, pero solo las costuras soldadas. Especialmente para piezas de trabajo grandes, esta secuencia de fabricación ayuda a optimizar significativamente la operación general.

La industria tiene varios estándares (como los de SSPC y NACE) para ayudar a los fabricantes a evaluar la condición de la superficie del material. Cuanto más limpio esté el material, menos agresivamente necesitará chorrearlo y menos agresivos los medios de chorreado que necesita usar para lograr el acabado deseado. Cuando se trabaja con placa con una oxidación significativa, es posible que la granalla deba ser más grande o que la aplicación requiera grano, que es angular. Por lo general, la granalla produce un acabado más fino que el grano, pero es posible que se requiera grano para producir un perfil de superficie más rugoso para lograr una adhesión adecuada para una capa gruesa de pintura.

FIGURA 1. Para los fabricantes que requieren granallado, alivio de tensión de soldadura o cualquier otra aplicación que involucre un cambio en las propiedades del material, es fundamental mantener la mezcla adecuada de medios. Los medios fracturados y de tamaño insuficiente deben eliminarse continua y consistentemente del sistema de granallado.

Considere la condición del material sin procesar y el acabado final requerido, es decir, lo que se entrega en comparación con el acabado final de la superficie que necesita lograr antes de que se envíe el producto. La diferencia entre la calidad del material entrante y saliente determina el rendimiento de la voladura. Cuanto mayor sea la diferencia de calidad (es decir, de muy áspero a un acabado fino), más tiempo llevará la limpieza con chorro. Algunas aplicaciones también pueden requerir varias etapas de chorreado, la primera para limpiar y otra etapa secundaria, utilizando medios de chorreado más finos para marcar las características de adhesión de la pintura de la superficie.

La "velocidad" en la voladura se puede definir de varias maneras. Primero, ¿cuánta granalla debe golpear la superficie en un momento dado y con qué frecuencia debe golpear para eliminar el óxido y preparar la superficie según sea necesario? Cuanto más óxido tenga una pieza de trabajo, más tiro necesitará. Una turbina puede arrojar 500 lbs./min. de granalla en una pieza de trabajo de movimiento lento, para garantizar que suficiente granalla golpee la superficie las veces necesarias para crear el acabado superficial necesario. Alternativamente, un sistema puede tener múltiples ruedas de chorro, colocadas una tras otra, que arrojan (en total) 1500 lbs./min. a la superficie, lo que permite que las piezas viajen tres veces más rápido.

Hay un límite para esto, por supuesto. Lance demasiados disparos y los medios de disparo comienzan a rebotar dentro del sistema, lo que a su vez crea todo tipo de inconsistencias. Lanzado a un volumen lo suficientemente alto, el medio de explosión en sí mismo pierde su eficacia.

Varias variables controlan la intensidad de la explosión. Una operación puede ajustar las válvulas de alimentación para controlar la cantidad de medios que fluyen hacia la turbina. Alternativamente, una operación podría disminuir la velocidad de la turbina, de modo que el medio de chorreado golpee la pieza a una velocidad más lenta. Una aplicación tiene una velocidad de salida óptima; demasiado bajo, y el medio no es eficaz (por ejemplo, no elimina el óxido de la superficie); demasiado alto puede causar otros problemas, como deformaciones, especialmente para piezas de trabajo muy delgadas.

Otra variable involucra la distribución del tamaño de los medios de explosión. Los sistemas automatizados tienen sistemas de reciclaje que separan los medios de explosión del óxido y los desechos eliminados. El sistema de reciclaje en sí mismo es extremadamente crítico; si no está funcionando correctamente, el medio de chorreado no será consistente, lo que puede provocar la adherencia de la pintura y otros desafíos.

El tiro se vuelve cada vez más pequeño a medida que se recicla. El sistema de reciclaje de abrasivo debe ser monitoreado para asegurar que se agregue suficiente granalla nueva u otros abrasivos a la mezcla, y que el sistema de cribado (que evacua las partículas finas) esté funcionando correctamente. El procedimiento no es complicado. Básicamente, los operadores toman una muestra del medio de chorreado y la envían a través de varios tamices especialmente diseñados, para que puedan ver la distribución de la tosquedad y cualquier residuo o contaminante que pueda estar presente.

Las máquinas de granallado transportan las piezas a través de la corriente de granallado, recolectando la menor cantidad posible de medios en la pieza y al mismo tiempo exponiendo cada superficie que necesita ser granallada.

La corriente de explosión que arroja la turbina tiene un "punto caliente" cerca del centro, un área donde el medio de explosión transporta la mayor parte de la energía. Esto a su vez gobierna la posición óptima de las turbinas (ver Figura 2). Por ejemplo, una máquina de granallado que procesa placa requiere una distribución uniforme del granallado en la superficie, y si esos puntos calientes en cada flujo de granallado no se superponen, la placa podría terminar con "franjas" en áreas expuestas a menos abrasivo.

Estos conceptos básicos forman la base de cualquier diseño de máquina de granallado. Un diseño popular para la fabricación de metal incluye máquinas de rodillos, donde los rodillos muy espaciados (consulte la Figura 3) transportan placas o vigas a una máquina, donde se granallan desde múltiples direcciones.

La ubicación de la turbina es clave (ver Figura 4). Algunas máquinas pueden colocar turbinas de explosión a cierta distancia para aceptar, por ejemplo, varias geometrías de haz. Es posible que el arreglo no sea tan eficiente para la placa como una máquina con turbinas ubicadas más cerca del trabajo, pero el arreglo ofrece flexibilidad, es decir, el sistema puede procesar tanto placa plana como vigas de varias formas y tamaños.

FIGURA 2. Las turbinas emiten chorros superpuestos para asegurar que todas las piezas de trabajo reciban suficiente cobertura.

Una vez más, cuando el trabajo es arruinado, también juega un papel. Esa máquina flexible podría granallar la placa en bruto para limpiarla y prepararla para el procesamiento posterior, y luego granallar el conjunto después de la soldadura. Un taller podría emplear esta estrategia debido a problemas de acceso a los medios de granallado (es decir, los medios de granallado de una máquina no pueden acceder a todas las superficies del producto ensamblado), o porque la soldadura requiere superficies limpias que produce el proceso de granallado. Alternativamente, la empresa podría optar por "explotar dos veces", tanto el material entrante como los productos soldados, porque sigue siendo la forma más rápida y eficiente de procesar el trabajo. Limpiar las existencias en bruto a medida que llega agiliza las operaciones posteriores. Y debido a que las piezas ya se limpiaron, el chorreado del conjunto soldado toma menos tiempo.

La máquina que elige un fabricante depende de los requisitos de la aplicación, incluida la geometría de la pieza. Las piezas planas o las vigas se pueden granallar adecuadamente en una máquina tipo rodillo, mientras que las plumas, los cangilones u otras formas complejas pueden requerir una máquina tipo suspensión o tipo suspensión giratoria. Un balde enviado a través de una máquina de rodillos podría comenzar a acumular granalla en su superficie, lo que evita que la granalla golpee la superficie con suficiente energía. En este caso, una máquina de granallado con colgador giratorio, donde un anillo de turbinas de granallado gira alrededor de una parte suspendida que está girando, podría acceder a todas las superficies y al mismo tiempo permitir que la granalla gastada caiga de la parte.

El principal beneficio de la sala de granallado manual es el acceso del operador. El operador puede granallar todas las superficies y cepillar la granalla acumulada según sea necesario. Un sistema automatizado podría no tener esta flexibilidad. Al mismo tiempo, los medios de granallado de una turbina dentro de una máquina automatizada tienen mucha más energía que los medios de granallado de una pistola manual. Esa energía puede reducir significativamente la acumulación de medios. Por lo tanto, si bien un operador manual puede granallar geometrías complejas y desafiantes, es posible que también tenga que cepillar los medios acumulados con más frecuencia. (Nota: el granallado de retoque manual se puede integrar en una máquina de granallado automática, como una máquina de tipo colgador. En ese caso, el operador se adapta y granalla la pieza con una varilla de granallado manual dentro de la granalladora deshabilitada).

En el otro extremo del espectro, algunas tecnologías de voladura ofrecen una automatización completa, y no solo de todo el proceso de voladura. Algunos sistemas de granallado de placas y vigas se conectan directamente a un sistema de pintura (consulte la Figura 5). Nuevamente, esto ayuda a minimizar la preparación de la superficie requerida más adelante en el flujo de valor. En el proveedor de acero o en el propio fabricante, las vigas y las placas se chorrean y luego se recubren inmediatamente con una imprimación soldable.

Dichos sistemas también pueden venir con una estación de limpieza antes de la voladura, especialmente útil para los fabricantes de estructuras que almacenan su material en el exterior. Esa estación elimina los desechos sueltos (como tierra, nieve y hojas) antes de que los rayos entren en la estación de voladura. Después del granallado, la obra pasa por una estación de limpieza con cepillos y sopladores de aire, que eliminan cualquier resto de granalla u otros residuos antes de que las piezas pasen a ser pintadas y secadas.

El rendimiento de estos sistemas depende de la condición del material que ingresa a la máquina, así como de los requisitos de pintura, como el grosor, la consistencia y el tiempo de curado. Los diseñadores de tales sistemas tienen en mente un rendimiento óptimo. Si el tiempo de curado lleva más tiempo, entonces el sistema de voladura podría modificarse para que funcione más lentamente (turbinas más lentas, menos medios o una combinación de ambos).

Al mismo tiempo, no es necesario enviar todas las piezas de trabajo a través del sistema de pintura. Por ejemplo, un fabricante que curva vigas o forma placas aguas abajo no querría pintar esas piezas aguas arriba, por lo que las piezas de trabajo que se someten a esos procesos podrían simplemente granallarse y luego enviarse rápidamente a través del sistema de pintura inactivo, luego a combarse o formar.

Una vez más, se trata del rendimiento general, no de la "eficiencia local" de un proceso específico de granallado o pintura. Sí, la limpieza con chorro puede llevar un poco más de tiempo si se combina con la pintura, y es posible que el sistema de pintura no se utilice para todas las vigas. Pero vincular la pintura directamente con el granallado aumenta el flujo general y minimiza el trabajo en proceso, lo que representa un gran ahorro de tiempo. El resultado: el taller chorrea y pinta más material en menos tiempo utilizando menos recursos.

En aplicaciones con geometrías de piezas muy variadas o complejas, un fabricante puede optar por automatizar parcialmente el granallado, con una máquina que granalla el 80 % o más de la superficie del material y un operador manual que granalla el 20 % restante. La automatización de todo el proceso es, por supuesto, ideal para muchas aplicaciones, pero no para todas. La idea es implementar voladuras automatizadas donde pueda ser más efectivo.

En otras situaciones, es posible que el operador solo necesite soplar el medio de granallado. Ciertos sistemas tipo colgador, por ejemplo, tienen una estación de limpieza designada donde los operadores, para las piezas que lo requieran, pueden realizar una limpieza final antes de que la pieza pase a la siguiente etapa (consulte la Figura 6).

FIGURA 3. Los rodillos ampliamente espaciados transportan placas, vigas o piezas de trabajo similares a través de la máquina.

El objetivo es optimizar todo el flujo de valor, y esto se extiende hasta la compra de materiales. Un fabricante podría comprar material más costoso que requiera menos ráfaga o no hacerlo en absoluto, o podría comprar material menos costoso que requiera una gran cantidad de ráfaga y preparación de la superficie. Sin embargo, ¿qué sucede si las soldaduras requieren un granallado independientemente de la calidad del material? Siempre que se puedan cumplir los requisitos de la aplicación, podría tener más sentido comprar material en bruto menos costoso, dedicar más tiempo a la voladura y, sin embargo, (gracias al material menos costoso) ahorrar dinero en general.

Un fabricante de gran volumen podría incluso optar por traer una línea de pintura y granallado automatizada internamente, no solo porque aumenta el rendimiento, sino también porque permite que la operación compre material menos costoso y obtenga un mayor control sobre la calidad de la superficie del material, dependiendo, por supuesto, en los requisitos finales de la aplicación.

Algunas operaciones de procesamiento de vigas estructurales han automatizado efectivamente todo su flujo, desde la voladura hasta el corte, la pintura y luego la carga directamente en los camiones. En al menos un fabricante europeo de acero estructural, un operador se sienta en una sala con aire acondicionado y controla toda la operación. Su trabajo principal es monitorear el equipo y alertar al personal de mantenimiento en caso de que surja un problema, ya sea una vibración adicional en una turbina de explosión (detectada a través de sensores), un problema de vibración de la hoja en las sierras de cinta o cualquier otra cosa.

El desarrollo de tales sistemas no ocurrió de la noche a la mañana, y no sucedió analizando procesos específicos de forma aislada. Considerar toda la cadena de valor es clave, incluida la vinculación con la planificación de recursos empresariales, así como el potencial del mantenimiento predictivo impulsado por IA. Cuando esto sucede, los fabricantes a menudo descubren que pueden llevar la automatización a nuevas alturas.