De guitarras a cuencos: Automatización y herramientas terminales para brazos robóticos en Pacific Rim Tonewoods

En un aserradero situado en la cordillera de las Cascadas del Norte, en el noroeste de Estados Unidos, trabajan robots. Pacific Rim Tonewoods (PRT) es un proveedor de madera de altísima calidad fresada y moldeada que procede de tipos de árboles cuidadosamente seleccionados. Suministra esta madera a fabricantes de guitarras grandes y pequeños como Martin, Taylor, Gibson y Fender, así como a lutieres, es decir, a los artesanos que construyen y reparan instrumentos de cuerda.

Hace aproximadamente una década, PRT optimizó sus operaciones, centrándose en reducir el desperdicio y agilizar sus procesos de fresado. Los cambios que introdujeron mejoraron su rendimiento en más de un 12 %. Después de realizar estas mejoras en sus procesos, PRT puso sus miras en la automatización para crear nuevas oportunidades en otras partes de la empresa. 

Hablamos con el ingeniero Jake Wells acerca de cómo la impresión 3D por sinterizado selectivo por láser (SLS) con la serie Fuse de Formlabs ha conseguido que sus sistemas robóticos sean más asequibles, eficientes y duraderos. Imprimir en 3D mediante SLS herramientas terminales para brazos robóticos y accesorios para la fabricación ha reducido los tiempos de espera y ha optimizado sus procesos de trabajo automatizados, ayudando a integrar la robótica en su empresa. 

La robótica y la automatización son la base del tan anunciado futuro de la fabricación digital, y en muchos sectores, han cumplido su promesa de hacer más eficientes las operaciones. Las empresas con más éxito, como PRT, han integrado la automatización de forma que se hace cargo de las tareas sucias, aburridas y peligrosas que son demasiado lentas, difíciles o arriesgadas para que las realicen los humanos de forma constante.

Sin embargo, cuando PRT empezó a incorporar sus primeros robots, la integración (los componentes de hardware y software que programan y equipan un robot para una aplicación específica) dejaba algo que desear. Su primer robot fue un KUKA KR-6 que les costó 60 000 $ y que tenía que paletizar piezas de madera especializadas y de muy alta calidad. El sistema dejó libre mucho tiempo para que los empleados pudieran trabajar en tareas más complejas y más importantes, pero trabajar con el integrador externo creó un desajuste entre el robot y la tarea, y Wells sabía que era posible hacer que el proceso de trabajo fuera más eficaz.

"El principal problema que teníamos fue lo torpe que fue la integración. Los integradores externos no estaban acostumbrados a manipular madera y eligieron este robot, que era más grande de lo que necesitábamos. Cuando decidimos que íbamos a tomar este tipo de decisiones nosotros mismos, reevaluamos el sistema y quedó claro que existía un enfoque mejor y más eficiente. Nuestro enfoque sería holístico, adaptando un robot a su herramienta", dice Wells. 

Wells comenzó imprimiendo diseños de efectores terminales en una impresora 3D de modelado por deposición fundida (FDM) que tenía en casa. Inmediatamente quedó claro el valor que ofrecía la impresión 3D: pudieron diseñar, ajustar, probar e iterar varias veces a la semana, intentando encontrar el mejor equilibrio entre resistencia y peso. "Fui el único ingeniero durante un tiempo, y tenía mucho más sentido imprimir algo, colocarlo en el robot y ver cómo funcionaba que dedicar todo ese tiempo a diseñar algo para mecanizarlo", dice Wells. 

PRT dispone de un taller de mecanizado propio con una potente máquina CNC de 4 ejes, que puede ocuparse de las piezas complejas que hacen falta para crear herramientas terminales personalizadas para brazos robóticos. Sin embargo, decidir mecanizar algo requiere que el diseño esté completamente finalizado; de lo contrario, será un desperdicio de material y de horas del tiempo de un operario cualificado. 

Las piezas impresas en 3D mediante FDM servían como piezas para pruebas de ajuste, e incluso de uso final en algunos casos, pero eran poco fiables y podían romperse con demasiada facilidad cuando se aplicaba fuerza a lo largo de sus líneas de capas. "Era difícil saber si las piezas impresas mediante FDM eran de calidad hasta que estaban en uso. Piezas que parecían excelentes podían fallar a los 20 000 ciclos sin motivo aparente, otras podían llegar a los 120 000 ciclos antes de fallar, e incluso entonces podía deberse simplemente a una colisión", dice Wells.

Comenzaron a enviar piezas para que las imprimiera en 3D una empresa de servicios y les gustó la resistencia, el peso y la durabilidad de las piezas de nylon 12 impresas mediante MJF que recibieron. Sin embargo, externalizar su trabajo les costó demasiado tiempo. Si querían iniciar nuevos proyectos, no podían esperar semanas a tener una pieza para los ensayos.

PRT necesitaba una solución interna que pudiera suministrar piezas de calidad de uso final lo suficientemente resistentes para cientos de miles de repeticiones como componentes terminales de brazos robóticos. Les gustaban las piezas de nylon que habían externalizado a las impresoras MJF y también necesitaban una cámara de impresión con el tamaño adecuado para los efectores terminales que querían fabricar. La Fuse 1 era una opción ideal en todos los aspectos. "Estábamos empezando a hacer piezas lo bastante complejas como para que mecanizarlas fuera un auténtico suplicio, y fabricarlas con materiales como el aluminio habría sido excesivo. Necesitábamos llenar el vacío que teníamos de piezas complejas pero resistentes y poder traer esa producción aquí, a nuestra empresa", dice Wells. 

La serie Fuse y el Nylon 12 Powder ofrecen la posibilidad de crear piezas de uso final en un material de calidad industrial conocido en el sector. El carácter autosostenible de la tecnología SLS hizo posible imprimir en 3D los efectores terminales diseñados de forma generativa, con sus curvas orgánicas y sus núcleos huecos, sin añadir tiempo extra para el posacabado ni para retirar soportes de las piezas. 

Aunque los efectores terminales son los que más expectación despiertan y quizá con razón, hay muchas piezas de los sistemas robóticos automatizados para las que la impresión 3D puede ayudar. En cada uno de los robots, decenas de cables complicados suministran energía y señales a los distintos componentes de la máquina. Durante las operaciones diarias, estos cables pueden engancharse, pellizcarse, romperse, deshilacharse o simplemente estorbar; durante el mantenimiento, un cable tendido incorrectamente puede causar estragos en hilos eléctricos y conectores frágiles. Wells empezó a imprimir abrazaderas personalizadas para sujetar los cables a la máquina y mantenerlos en determinados grupos, haciendo que todo el sistema fuera más eficiente y menos propenso a sufrir daños. 

Las abrazaderas personalizadas pueden diseñarse para que el serrín se mueva fácilmente a través de ellas, en lugar de quedar atrapado y que haya que limpiarlo después. Mantienen los cables en determinadas posiciones para facilitar su mantenimiento o sustitución, y mejoran la limpieza y la eficiencia de las operaciones en general. La serie Fuse hizo posible diseñar y realizar iteraciones de una pieza pequeña y sencilla que tenga un gran impacto, y hacerlo todo sin horas de trabajo de diseño de ingeniería para CNC ni semanas de espera. 

La impresión 3D de componentes personalizados también hizo que la operación fuera más segura. Todo sistema robótico está supervisado por varios sensores de seguridad que supervisan la tarea y crean un ciclo de retroalimentación para el sistema de seguridad. Estos sensores mejoran la seguridad de los procesos y avisan a los operarios de cualquier problema o posible riesgo. Aunque los sensores se fabrican en serie, se utilizan en entornos únicos, por lo que cada integrador debe encontrar una forma personalizada de montarlos en la máquina para que sean eficaces. 

"Todo nuestro robot se diseña en CAD y se prueba en un software de simulación. Podemos colocar los sensores en el modelo y averiguar cuáles son el ángulo y la colocación óptimos, para luego imprimir sus soportes o monturas perfectamente y que cada sensor esté exactamente donde debe estar. Esto es muy importante en el caso de los sensores de seguridad, donde un sensor mal colocado podría suponer un riesgo para la seguridad", dice Wells. 

Las monturas tienen otra finalidad: asegurar el sistema para el futuro. La integración digital de los elementos de soporte de los sensores en la disposición en CAD de todo el sistema facilita a cualquiera imprimir en 3D soportes de recambio en cualquier momento. "Cualquiera puede reemplazar ese sensor más adelante y ya estará situado para apuntar perfectamente a lo que debe monitorizar. Hicimos lo mismo con los sistemas de radar de seguridad. No hay problemas de seguridad y tenemos mejores resultados", dice Wells.

PRT tiene un taller de mecanizado totalmente equipado con una máquina CNC de 4 ejes, y Wells tiene mucha experiencia como mecanizador experto y diseñador de piezas mecanizadas complejas. Las dos tecnologías están pensadas para funcionar de forma conjunta, y tanto el mecanizado como la impresión 3D ofrecen distintas ventajas. 

La mayor diferencia es la inversión inicial. Wells podría pasarse días o incluso semanas perfeccionando el diseño de una pieza mecanizada, para que la configuración y el consumo de material sean lo más eficientes posible. En la impresión 3D, especialmente con el intuitivo proceso de trabajo de la serie Fuse, todo va un poco más rápido. "En nuestro taller estamos muy optimizados para el mecanizado, pero al mismo tiempo, hay más factores que intervienen en el diseño orientado a la fabricación CNC, requiere muchos conocimientos previos. En cambio, con la impresión 3D, hay muchas cosas que puedo diseñar en un par de horas y ver si funcionan, lo que podría llevar varias semanas si tuvieras que mecanizarlas", dice Wells. La facilidad de uso de la serie Fuse ha ayudado a Wells a trabajar con todos los miembros del equipo para imprimir las piezas y empezar a usarlas. 

En lo que respecta a los efectores finales, las piezas deben ser lo bastante resistentes para recoger y colocar las piezas de madera que van encima del palé, pero lo bastante ligeras para no sobrecargar el brazo robótico. La resistencia a los impactos y la precisión dimensional también son preocupaciones importantes. "La impresión 3D permite consolidar conjuntos metálicos aparatosos para reducirlos a una sola pieza, lo que simplifica los conjuntos y facilita su mantenimiento en el futuro", dice Wells. 

Pero las ventajas de la impresión 3D de herramientas terminales no existen si la empresa funciona como un taller de mecanizado normal, acostumbrado a fabricar herramientas metálicas aparatosas. El proceso de diseño no es único e inalterable, nos dijo Wells. Para aprovechar plenamente la impresión 3D, hay que cambiar el proceso de trabajo y abrir nuevas vías para la creatividad. 

La impresión 3D ha hecho que las integraciones robóticas de PRT sean más fluidas, sencillas y optimizadas. "Ayuda enormemente a integrar la automatización. Si tienes un problema concreto con la gestión del cableado, o un inconveniente que resolver con un robot, es probable que puedas utilizar la impresión 3D para solucionarlo", dice Wells. 

Los efectos positivos de la automatización y el diseño de máquinas in situ han abierto más oportunidades para PRT. "Nos hemos propuesto producir cuencos de madera de alta calidad a un precio asequible y necesitaremos soluciones hechas a medida para conseguirlo. Añadir la impresión 3D a nuestro repertorio de herramientas nos ayuda a optimizar aún más nuestros sistemas para que lleven a cabo su función", dice Wells.

Del mismo modo, el éxito de Wells con las piezas impresas 3D mediante SLS lo está llevando a considerar las herramientas terminales para brazos robóticos y los componentes de automatización como otra fuente de ingresos. "Tenemos piezas que estamos utilizando en la producción y que podemos vender a otras personas del mundo de la automatización. No compramos la Fuse con la intención de imprimir 200 efectores terminales, pero es una herramienta más de nuestro repertorio. Tener a gente que entienda la herramienta puede ser algo muy poderoso", dice Wells. 

Para saber más acerca de la serie Fuse, visita nuestra página. Si quieres comprobar por tu cuenta la resistencia del Nylon 12 Powder, solicita una pieza de muestra gratuita impresa en 3D.