Medir, analizar e innovar

La competencia global en el sector de la manufactura industrial está elevando los requerimientos de calidad y de precisión a medida que el tiempo va avanzando. Entonces, ¿cuál es la manera más eficiente y rentable de optimizar y controlar completamente la cadena de producción?  Para muchas empresas de producción, se ha demostrado que la solución es el monitoreo integrado de procesos dinámicos, especialmente con la ayuda de sensores piezoeléctricos.

La visión de la Industria 4.0 se está convirtiendo hoy dí­a en una realidad exitosa en numerosas aplicaciones industriales – en sectores como la manufactura automotriz, la tecnologí­a médica y la ingenierí­a eléctrica.  La optimización sin precedentes de todos los procesos de producción es ahora posible gracias a la creciente digitalización y al crecimiento de las redes de máquinas y de sistemas.  El control consistente de la cadena de producción – siendo la producción con cero defectos la meta – es esencial para cualquier negocio de producción moderno para mantenerse en el mercado del futuro.

Hace apenas unos años, casi todos los productos contaban con una revisión por fuera de la lí­nea – por ejemplo, después del proceso de manufactura, como tal.  En la actualidad y, en contraste, más y más productos están siendo monitoreados durante el proceso de producción – o en lí­nea – como una manera de evitar los costos innecesarios.  La tecnologí­a de sensores basados en el principio piezoeléctrico para realizar junturas, ensamble y pruebas es un factor fundamental en la optimización de procesos de producción con cero defectos como objetivo.  Esta tecnologí­a trabaja de manera excepcional para la medición de variables fí­sicas como fuerza, presión, aceleración y torque.

Sensores piezoeléctricos: fundamentos

La base fí­sica para el uso de sensores como estos es el “efecto piezoeléctrico”, descubierto por Pierre y Jacques Curie en 1880.  Al ser sometidos a cargas mecánicas (del griego “pie-zein”: presionar o exprimir), los materiales piezoeléctricos generan cargas eléctricas.  Un paso adelante en la aplicación del efecto piezoeléctrico se dio en 1950 cuando Walter P. Kistler patentó el amplificador de carga para señales piezoeléctricas.

Se puede hacer un uso particularmente bueno del efecto piezoeléctrico con un cristal de cuarzo: cuando una carga mecánica se aplica al cuarzo que ha sido efecto de un proceso previo, una señal de carga se puede generar de él con magnitud proporcional a la fuerza aplicada. Por esto y, en contraste con otras tecnologí­as, la captura del mensurando empleando el efecto piezoeléctrico no depende del desplazamiento o la tensión. En este caso, la dimensión del elemento de cuarzo sólo determina la máxima amplitud permitida para el mensurando. Por lo tanto, la señal que se genera por un sensor grande es comparable a la de un sensor de menor tamaño con la misma estructura. El amplificador que le sigue se usa para configurar el rango de medición requerido, llevando a cabo mediciones precisas a lo largo de diferentes décadas con sólo un sensor y sin la necesidad de cambiar la estructura mecánica. Kistler también ofrece sensores de fuerza piezoeléctricos con salida ICP: en este caso, la señal original se convierte en una salida de voltaje de 5 ó 10 voltios en el sensor.

Debido a la extremadamente alta rigidez del cristal, la deflección en la medición es baja – usualmente se encuentra en el rango de varios kilonewtons por micrómetro, brindando así­ al sistema de una frecuencia natural alta. Este es un criterio clave para procesos altamente dinámicos, en particular. Otro factor importante: el cuarzo y otros cristales no presentan fatiga o efectos de largo plazo como los desplazamientos de punto cero o cambios en la linealidad.  En algunos casos, el uso de sensores piezoeléctricos puede estar limitado por derivas de carga que ocurren por razones fí­sicas. Dependiendo de la amplitud del mensurando y del diseño de la tecnologí­a de medición, las mediciones cuasiestáticas son posibles por perí­odos de varios minutos e incluso horas.

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Fig 1: Se dispone de varios tipos de sensores que proporcionan un monitoreo óptimo de la producción, dependiendo de las condiciones de instalación. 1. Medición directa (toda la fuerza del proceso pasa a través del sensor). 2. Medición indirecta (una pequeña parte de la fuerza pasa a través del sensor). 3. Medición por derivación (la fuerza se mide indirectamente a través del doblez de la prensa en C).

Gracias a la tecnologí­a de sensor de cuarzo desarrollada por Kistler desde los años 1950s, las fuerzas dinámicas se pueden medir tanto de manera directa como indirecta. Para mediciones directas, el sensor se posiciona completamente sobre el flujo de la fuerza (1), por lo que la mide de manera completa. Este alcance brinda una precisión muy alta en la medición, que es virtualmente independiente del punto de aplicación de la fuerza. Si el sensor no se puede ubicar directamente en el flujo de la fuerza, sólo podrá medir parte de la misma (3); la cantidad restante pasa a través de la estructura en la que está montado (conocida como la derivación de fuerza). Con la medición de fuerza indirecta, los sensores de tensión se emplean para medir la fuerza en el proceso de manera indirecta a través de la tensión estructural.

Aplicaciones en la investigación y en la industria

Adicionalmente a las consideraciones económicas, en la actualidad, las condiciones de instalación se están convirtiendo en un factor de gran importancia.  Generalmente, las dimensiones son un factor crí­tico en la escogencia de un sensor de fuerza.  Los sensores de cuarzo son excepcionalmente estables, compactos y resistentes; pueden ser, a menudo, instalados en puntos de medición en los que otras tecnologí­as no se pueden usar.  Estos atributos hacen que su uso sea extenso, no sólo en investigación y desarrollo sino también – y en condiciones crecientes – en lí­neas de producción y en tecnologí­a industrial de pruebas.

Para dar un ejemplo: las mediciones de fuerza dinámica que presentan estabilidad de largo plazo se necesitan para determinar las investigaciones de carga y de envejecimiento en los componentes automotrices – como pruebas de presión, tensión, impacto y resistencia en seguros, puertas, tapas de motor, cubiertas de maletero, sillas, resortes, etc.  En este contexto, los sensores de fuerza de cuarzo son superiores a otros sensores ya que el cuarzo no presenta señal de envejecimiento alguna, por lo que las calibraciones se pueden limitar a los ciclos especificados en los sistemas de aseguramiento de la calidad, como DIN EN ISO 9001:2015.  Estas ventajas ahorran tiempo y dinero en todo el ciclo.  Para ciertas aplicaciones, los sensores de fuerza de cuarzo ofrecen varios beneficios técnicos, así­ como las ventajas por mayores reducciones de costos, gracias a sus costos de ciclo de vida reducida.

Los sensores de fuerza piezoeléctricos se emplean para mediciones dinámicas de fuerza (por ejemplo, en procesos de perforado de partes de láminas metálicas) y, adicionalmente, se utilizan en procesos cuasiestáticos, como el ajuste a presión de cojinetes en bloques de máquinas. Para dichos casos, las fuerzas de proceso se pueden activar de manera segura: la tecnologí­a de medición permanece intacta, incluso cuando se presentan los picos de fuerza que podrí­an destruir de manera permanente los sistemas convencionales de medición.

Los sistemas de Kistler ofrecen soluciones para aseguramientos óptimos de la calidad, para el análisis y la documentación de procesos de moldeado por inyección.  La presión de cavidad es la variable de proceso de mayor información, ya que describe las condiciones de manera inmediata – mientras que la parte moldeada está siendo creada.  Con base en la presión de cavidad, los sensores y sistemas pueden detectar en la etapa más temprana posible si se generan partes de buena calidad o partes rechazadas.

Soluciones de sistemas para aseguramiento de calidad integrado en el procesos

Los datos capturados por los sensores piezoeléctricos de alta sensibilidad pueden ser empleados, visualizados, evaluados y documentados en sistemas de monitoreo adecuados. Cuando estos sistemas de medición se integran en la secuencia de manufactura, la detección temprana de defectos de producción se hace posible, reduciendo así­ el riesgo potencial de pérdidas financieras por causa de partes con fallas.

En la tecnologí­a de ensamblaje, los sistemas Kistler y maXYmos monitorean de manera confiable los procesos de producción. El resultado: la producción se puede optimizar hacia el objetivo de producción con cero defectos con una máxima eficiencia de costos. Las caracterí­sticas especiales del sistema son su flexibilidad excepcional y su interfaz de operación amigable. Se puede emplear no sólo para uniones automatizadas y procesos de ajuste a presión, sino también para operaciones manuales, como procesos de presión adelantados a mano.  Adicionalmente a la producción y al ensamblaje, las aplicaciones de los sensores, de Kistler, y los monitores XY incluyen la verificación de la funcionalidad del producto terminado. Gracias a la versatilidad excepcional de los monitores XY de Kistler, se pueden cumplir todos los requerimientos en todos los sectores industriales donde el aseguramiento de la calidad es considerado como fundamental.

Enfoque en la rentabilidad mejorada

Los sensores piezoeléctricos y los sistemas de monitoreo relacionados, de Kistler, están siendo instalados en Europa, en los EE.UU. y Asia – de hecho, se están instalando en todo el mundo. La tecnologí­a de sensores basada en el principio piezoeléctrico brinda un incremento notorio en la confiabilidad del proceso dentro de la cadena de producción de una compañí­a, acoplado con una mejora sostenida en la productividad – abriendo el camino hacia la producción con cero defectos y maximizando la eficiencia del proceso. Desde la perspectiva del negocio, esta tecnologí­a de alta precisión cumple un propósito por encima de otros: crear una base firme para el éxito económico en un mercado en el que la competencia es furiosa en cualquier lugar del mundo.