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MAQUINARIA
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Foto: www.bystronic.com
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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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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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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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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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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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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