Robot elimina el trabajo en proceso (WIP) y mejora la eficiencia

Para producir de forma eficiente componentes para carrotanques, Betts Industries Inc. (Warren, Pennsylvania) necesitaba eliminar cualquier redundancia o ineficiencia dentro del proceso de fabricación. Al incorporar dos tornos Mori Seiki, un sistema de lavado y secado y un robot FANUC de Automated Cells and Equipment Inc. (Painted Post, New York), la compañía pudo eliminar un proceso secundario de prueba de fugas, reducir la mano de obra y eliminar el inventario de trabajo en proceso (WIP).

Betts Industries es un taller de producción verticalmente integrado que diseña, fabrica y ensambla componentes usados en la producción de carrotanques para producción de petróleo e industrias de procesamiento químico. La compañía cuenta con más de 280 empleados y 30 máquinas-herramienta con tamaños que van desde pequeñas máquinas tipo suizo hasta tornos de doble torreta y doble husillo, así como fresadoras horizontales y verticales. La planta también cuenta con un proceso de soldadura robótica y un departamento de estampado de metal con capacidad para 600 toneladas.

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Además, para el diseño y la fabricación de tapas para accesos de inspección, válvulas de carrotanques y componentes de iluminación, Betts Industries diseña y fabrica dispositivos de alivio que permiten nivelar la presión y el vacío en carrotanques para mantener presiones de operación seguras. Para producir estos dispositivos de alivio, la compañía mecanizaba ligeramente las áreas clave en una carcasa de aluminio fundido a presión con un torno de husillo simple y, posteriormente, llevaba a cabo una prueba inicial de fugas en la carcasa para verificar su adecuada operación. Un operario dedicado cargaba y descargaba el torno y realizaba la prueba de fugas para cada una de las carcasas mecanizadas.

Este era un proceso muy exigente para el operario. Si la carcasa pasaba la prueba inicial de fugas, el operario limpiaba, secaba y empacaba la carcasa en un embalaje para almacenamiento en el área de inventario de trabajo en proceso (WIP), ubicada dentro de la planta. La carcasa luego era sacada del inventario WIP y transportada hacia el área de ensamble, donde era ensamblada dentro de un dispositivo de alivio normal, donde se realizaba la prueba final de fugas, se empacaba y se despachaba hasta el usuario final para su instalación en el carrotanque. 

Al observar la prueba de fugas inicial, Scott Angove, gerente de ingeniería de manufactura, y Glenn Burt, ingeniero de manufactura, decidieron probar si la carcasa completa podría ser mecanizada a partir de una pieza en bruto de aluminio por medio de forja por impacto. Al controlar el proceso completo de fabricación de la carcasa y mecanizar de forma precisa todas las operaciones dentro del componente final, ellos querían garantizar el 100 por ciento de efectividad en la prueba inicial de fugas del componente, sin tener que realizar la prueba de fugas de la carcasa. Por supuesto, el ensamble final sería en todo caso probado y validado antes de despacharlo al cliente.
Luego de algo de investigación y pruebas dedicadas, los dos determinaron que era completamente posible; sin embargo, estaban preocupados por mantener los costos del producto final. Mecanizar la carcasa completa requeriría más tiempo, dos tornos nuevos y más rápidos, y un sistema de automatización para mover de manera eficiente el producto hacia y desde el proceso de mecanizado.

Betts Industries ya usaba robots FANUC tanto en sus celdas de soldadura como en otra celda de máquinas, así que la compañía sabía que usar un robot para mover la pieza a lo largo del proceso era la respuesta correcta. Esto ayudaría también a ampliar los límites del proyecto de dispositivos de alivio normal. Por ejemplo, en lugar de lavar y secar las piezas a mano el Angove y Burt querían usar un robot para mover las piezas hacia adentro y hacia afuera del sistema de lavado y secado. Boldt Machinery Inc. (Mattydale, New York) y Automated Cells & Equipment fueron llevados al proyecto para ayudar a definir la disposición final y sus componentes. Una vez fueron establecidos los tiempos de ciclo con los nuevos tornos, el sistema de lavado, el robot y el herramental apropiados pudieron ser definidos.

El modelo de máquina robótica tipo cajonera, ofrecido con un robot FANUC M-20iA, fue rodeado por dos tornos de husillo doble Mori Seiki NLX1500 SY500, cada uno con puerta vertical automática de apertura neumática y cajas “hurricane” para remoción de viruta de la pieza. También se incorporó dentro de la celda robotizada un sistema de lavado y secado de piezas y expulsión de muestreo. El MT20D almacena un total de 480 piezas en bruto para forjado por impacto en cuatro cajones (120 por cada cajón) antes del mecanizado. El operario abre y carga las piezas en bruto para forja en cada uno de los cuatro cajones desde adentro de la celda robótica, fija una carcasa en bruto y la carga en el primer torno. Este proceso se repite para cargar el segundo torno. Ambos tornos de doble husillo mecanizan las piezas por completo.

Las piezas mecanizadas se ubican de nuevo en los cajones para que el operario la descargue desde afuera de la celda robotizada. El herramental en el extremo del brazo del robot emplea un sistema de apriete sellado simple con dedos, capaces de generar apriete sobre las piezas en bruto de forma longitudinal sobre las piezas terminadas de forma perpendicular. El herramental en el extremo del brazo también está diseñado para permitir la interfaz de la herramienta (con la pieza) dentro del sistema de lavado y secado e incluye una boquilla de soplado para limpieza del mandril durante las operaciones de descarga y carga dentro del torno.

Las puertas automáticas neumáticas proporcionan un rápido acceso para el robot durante los ciclos de carga y descarga y maximizan los tiempos operativos. Las cajas hurricane, montadas sobre las puertas de la máquina, permiten remover la viruta remanente de las piezas antes de ingresar al sistema de lavado y secado. Las cajas cuentan con un puerto para drenaje de refrigerante con bafle para permitir el drenaje de cualquier residuo de refrigerante de las piezas y llevarlo de nuevo al torno.

El sistema de limpieza de piezas incluye agujeros de inserción dobles, uno para el ciclo de lavado y otro para el ciclo de secado. Un lavado de paso de agua caliente con chorros a alta presión limpia cada pieza y un enjuague final con agua desionizada previene el manchado de la carcasa de aluminio. Esto es especialmente crítico, ya que cualquier refrigerante restante en la superficie sellante puede afectar su desempeño de sello, con lo cual falla la prueba final de fugas. El robot manipula las piezas dentro del sistema de lavado y secado para incrementar el desempeño de lavado y secado. Esto es especialmente importante para limpieza de agujeros perforados transversalmente y la superficie interior de la carcasa. La adición del proceso automatizado de lavado y secado ha eliminado todos los reprocesos asociados a la limpieza de la carcasa y contribuyó directamente a una tasa de 100 por ciento de aprobación de la fase final de prueba, ahorrando tanto tiempo como mano de obra.

También se integra una salida de piezas para muestreo dentro de la celda robotizada, para permitir el muestreo a elección de las carcasas mecanizadas. La pieza mecanizada se ubica simplemente dentro de la salida para muestreo (en lugar de cargarla atrás en el cajón) y es transportada afuera de la celda robotizada para inspección por parte del operario o el departamento de control de calidad.

Un sistema de llamado automático también ha sido integrado dentro de la celda robotizada para llamar al departamento de control de calidad para inspección de una pieza luego de que un determinado número de piezas han sido producidas. El robot también llama a un técnico de mantenimiento (por teléfono celular) si ocurre una falla en la máquina o en el robot, o si la celda necesita servicio, reduciendo así los tiempos muertos.

La última mejora relevante fue la integración del proceso de ensamble final en la celda del robot. En lugar de almacenar las carcasas mecanizadas dentro del inventario WIP, el proceso de ensamble fue reubicado en la celda robotizada. Cuando los cajones de piezas están completos, las carcasas terminadas son ensambladas dentro del producto final, probadas y empacadas para despacho. El operario de ensamble es ahora la misma persona que opera la celda robotizada que produce las carcasas mecanizadas. El sistema de robot tipo cajonera puede alojar 480 piezas, acoplado con la eficiencia del robot FANUC y los tornos Mori Seiki, permitiendo obtener el valor total de un día de producción de tres turnos reduciéndolo a solo 11 horas.

Como resultado directo de la implementación de la celda robotizada y el cambio de un proceso de fundición a presión a un proceso de mecanizado completo de las carcasas, la compañía ahorró 7,500 horas hombre en la tendencia de mano de obra de mecanizado anual anticipada, y se obtuvo además 90 por ciento de reducción en el inventario. De acuerdo con Angove, “el proyecto de dispositivos de alivio normales fue un tremendo éxito, con incluso mayores beneficios de los que pudimos haber imaginado. El sistema de cajones nos ha permitido ajustarnos a los diferentes cronogramas de mano de obra y a la demanda de los clientes con trabajo de producto en proceso (WIP). La celda proporciona piezas completamente mecanizadas, limpias y sin manchas, y sin requerir la intervención humana, permitiendo así procesos de ensamble y prueba mucho más eficientes”.