Mecanizado CNC sostenible: reducción de los residuos de material, el consumo de energía y el consumo de refrigerante

La mayoría de los artículos sobre mecanizado sostenible comienzan hablando de husillos de bajo consumo. Ese no es el punto de partida adecuado, ya que, en el caso de la mayoría de las piezas mecanizadas, la electricidad utilizada para cortarlas supone solo una pequeña fracción de su impacto total. El factor determinante es el propio metal: cuánto se produjo, cuánto se compró y cuánto acabó convirtiéndose en virutas.

Esto resulta muy práctico, ya que significa que la sostenibilidad en un taller mecánico es, en gran medida, lo mismo que el control de costes. Los materiales, la energía, el líquido refrigerante y las herramientas son todas partidas de gasto, y reducir cualquiera de ellas mejora ambos aspectos a la vez. Vale la pena mencionar con franqueza las excepciones, y esta guía también lo hace.

Dónde se produce realmente el impacto

La producción de metal a partir del mineral requiere un consumo energético enorme. Sin embargo, su posterior corte no lo es. La comparación que figura a continuación utiliza valores aproximados publicados sobre la energía incorporada, que varían según la fuente, la región y la composición de la red eléctrica que abastece a la fundición; por lo tanto, deben considerarse como órdenes de magnitud más que como cifras exactas.

De ello se desprenden dos conclusiones. En primer lugar, el reciclaje del aluminio consume aproximadamente una vigésima parte de la energía que se emplea para producirlo a partir del mineral, por lo que lo que ocurre con tus virutas no es un simple detalle sin importancia. En segundo lugar, el titanio contiene un orden de magnitud más de energía incorporada por kilogramo que el aluminio, lo que significa que optar por él cuando bastaría con una aleación de menor impacto medioambiental es la decisión medioambiental más importante que se toma en la mayoría de los planos.

Esa decisión la toma el diseñador, no la tienda. Nuestra guía sobre qué aleaciones utilizar y cómo se mecanizan Aborda los casos en los que cada material se gana realmente su lugar y señala que pasar del titanio al aluminio de alta resistencia, siempre que el rendimiento lo permita, puede reducir drásticamente los costes de mecanizado. El ahorro medioambiental va en la misma línea.

La utilización de los materiales es el factor más importante

El mecanizado es un proceso sustractivo, por lo que la pieza acabada es lo que queda una vez que la mayor parte del material en bruto se ha convertido en virutas. Merece la pena calcular la relación entre ambos:

Aprovechamiento del material = masa de la pieza acabada ÷ masa del material adquirido

En piezas prismáticas sencillas, este valor puede ser bastante elevado. En componentes estructurales con cavidades, suele ser muy bajo, y la mayor parte de un costoso lingote acaba en el contenedor de virutas. Las piezas estructurales aeroespaciales constituyen el caso extremo, en el que la masa adquirida puede ser muchas veces superior a la masa final.

Existencias «near-net» y planificación de existencias

Las respuestas prácticas carecen de glamour, pero son eficaces:

• Compra material que se acerque más a la forma final de la pieza. Las piezas en bruto aserradas a medida, los perfiles extruidos con una forma similar a la de la pieza o las piezas forjadas y fundidas «casi acabadas» reducen el volumen que hay que eliminar mediante corte.
• Agrupa las piezas de forma eficiente en la plancha, en lugar de cortar cada pieza por separado.
• Estandarizar las dimensiones de las piezas en stock dentro de una misma familia de piezas, de modo que los recortes de un trabajo se conviertan en piezas en bruto para otro.
• Reduce las dimensiones de diseño siempre que la función lo permita. Cada milímetro de tamaño total innecesario hay que comprarlo, transportarlo y, posteriormente, mecanizarlo para eliminarlo.
• Considera el uso de piezas fabricadas mediante impresión 3D con formas casi definitivas, a las que se les da el acabado final mediante mecanizado, en el caso de piezas complejas, de baja producción y alto valor. Se trata de un nicho de mercado, pero resulta realmente eficiente en el uso de material cuando se aplica.

Separación y recuperación de chips

Las virutas tienen un valor real, y la forma en que se manipulan determina cuánto de ese valor se recupera. Hay tres factores que reducen ese valor de forma considerable: la mezcla de aleaciones, la mezcla de metales y la saturación de las virutas con líquido refrigerante.

Un contenedor de virutas de 6061 limpias y clasificadas tiene un valor considerablemente mayor que la misma masa de virutas mezcladas, y puede reincorporarse a un circuito de reciclaje que produce aleación utilizable, en lugar de ser degradada. Separar por aleación directamente en la máquina, en lugar de clasificar más tarde, es el único método que funciona de forma fiable en la práctica.

El líquido refrigerante que se elimina junto con las virutas supone una doble pérdida: se pierde el líquido y las virutas húmedas tienen menos valor. Las centrifugadoras para escurrir virutas y las prensas de briquetado recuperan una proporción significativa de ese líquido, reducen el volumen que hay que transportar y aumentan el valor de lo que sale de la fábrica. Para un taller que genera grandes volúmenes de virutas, esta maquinaria suele amortizarse solo con la recuperación del refrigerante.

Energía: el consumo durante el corte representa solo una pequeña parte de lo que consume la máquina

Una máquina herramienta no es solo un husillo. Las bombas de refrigerante —especialmente los sistemas de refrigeración a alta presión a través de la herramienta—, los transportadores de virutas, los sistemas hidráulicos, la lubricación de las guías, los enfriadores y los sistemas neumáticos consumen energía de forma continua, independientemente de si la herramienta está en contacto con el material o no. En muchas máquinas, el corte propiamente dicho representa una parte modesta del consumo total.

Eso cambia lo que merece la pena hacer:

1. Reducir la duración del ciclo. Cada minuto que se ahorra es un minuto de toda la máquina, no solo del husillo. Este es el factor de eficiencia energética más importante que existe en un taller.
2. Reduzca el tiempo de inactividad y los desplazamientos en vacío. Las secuencias largas sin corte y los cambios de herramienta innecesarios consumen la misma carga auxiliar que el tiempo productivo.
3. Abordar el tema del aire comprimido. El aire suele ser el servicio más caro por unidad de energía suministrada en una planta, y las fugas son habituales. Una inspección para detectar fugas es una de las medidas más económicas que existen.
4. Apaga los equipos correctamente. Las máquinas que se dejan en reposo durante toda la noche con las bombas y los enfriadores en marcha consumen una cantidad sorprendente de energía sin producir nada.
5. Dimensionar adecuadamente y controlar los equipos auxiliares. Los variadores de frecuencia en las bombas de refrigerante y las enfriadoras correctamente especificadas reducen el consumo continuo.
6. Reducir los cambios de configuración. Un menor número de cambios de configuración supone menos horas de máquina y menos manipulación para la misma pieza.

Dos de ellos guardan relación con temas tratados en otras entradas de este blog. Reducir el tiempo de ciclo de forma eficaz es, en gran medida, una cuestión de parámetros y trayectorias de herramienta, que se aborda en nuestra guía sobre fresado CNC de alta velocidad. Y la utilización tiene una dimensión energética que pasa fácilmente desapercibida: dado que las cargas auxiliares funcionan independientemente de la producción, una máquina que fabrica piezas durante más horas al año reparte ese consumo fijo entre un mayor número de piezas, por lo que el consumo energético por pieza se reduce. Ese es uno de los argumentos menos evidentes a favor de máquinas en funcionamiento sin supervisión.

Líquido refrigerante: la partida de gastos que la mayoría de los talleres subestiman

El líquido refrigerante se adquiere, se mantiene, se supervisa y, finalmente, se elimina como residuo regulado. Los estudios sobre la estructura de costes del mecanizado han revelado que los costes relacionados con el líquido refrigerante pueden superar a los de las herramientas, lo que sorprende a la mayoría de la gente, ya que las herramientas reciben mucha más atención por parte de la dirección.

Prolongar la vida útil del líquido refrigerante

La mayor parte del líquido refrigerante se vacía mucho antes de lo necesario, y las causas son siempre las mismas:

• Variación de la concentración. El agua se evapora y el concentrado no, por lo que un depósito de recogida al que solo se le añade agua se va diluyendo progresivamente. Esto se evita realizando comprobaciones periódicas con un refractómetro y utilizando la mezcla adecuada para rellenarlo.
• Aceite residual. El aceite lubricante y el aceite hidráulico que flotan en la superficie impiden la entrada de aire, lo que permite que se desarrollen bacterias anaeróbicas y se produzca el olor que suele provocar el vertido. Los skimmers y los coalescentes lo eliminan.
• Aireación insuficiente. El líquido en circulación se mantiene aeróbico; el líquido estancado durante un fin de semana, no.
• Acumulación de partículas finas y virutas. La filtración impide que las partículas abrasivas entren en el circuito, lo que prolonga la vida útil del líquido refrigerante y reduce el desgaste de la bomba.

Un depósito de recogida supervisado, con registros de pH y concentración, puede durar mucho más tiempo que uno sin supervisar. Esto se traduce en una menor compra de concentrado, una menor generación de residuos peligrosos y menos tiempo de inactividad de la máquina debido a la limpieza.

MQL, mecanizado en seco y criogénico

Es posible prescindir por completo del refrigerante en determinadas circunstancias, pero resulta engañoso presentarlo como una solución general.

Es importante tener en cuenta los límites reales. La lubricación con cantidad mínima tiene dificultades en agujeros profundos y cavidades cerradas, donde lo que se necesita es un lavado más que una lubricación, y donde el refrigerante a alta presión que atraviesa la herramienta desempeña una función estructural en la eliminación de virutas. Presentarlos como sustitutos universales del refrigerante por inundación da una imagen errónea de su funcionamiento.

Herramientas: menos herramientas, que se utilizan durante más tiempo

Las herramientas de metal duro se fabrican con tungsteno, un material cuyo suministro es limitado y cuya producción tiene un impacto significativo. Reducir el consumo de herramientas supone tanto un ahorro de costes como una disminución del impacto, y las medidas para lograrlo son viables:

• Parámetros de corte correctos. Las herramientas que se estropean por el roce debido a un espesor insuficiente de la viruta, o por vibraciones, constituyen la mayor pérdida evitable.
• Menor saliente y mejores portaherramientas. La deflexión y la excentricidad acortan directamente la vida útil de la herramienta.
• Reafilado y recubrimiento. Las fresas de metal duro suelen poder reacondicionarse varias veces, lo que prolonga su vida útil a una fracción del coste de una herramienta nueva.
• Recuperación de carburo. Los fabricantes de herramientas cuentan con programas de recogida, y el carburo reciclado requiere mucha menos energía que la producción de tungsteno a partir del mineral. Las herramientas desgastadas que se venden como chatarra de carburo, en lugar de tirarlas a la basura, permiten recuperar tanto su valor como el material.
• Control de la vida útil de las herramientas. Sustituir las herramientas en función de su vida útil medida, en lugar de basarse en una valoración subjetiva, evita tanto la sustitución prematura como los daños colaterales que se producen al seguir utilizando una herramienta más allá de su punto de fallo.

Lo que controlan los diseñadores antes de que un trabajo llegue a la máquina

Una parte importante de los residuos de mecanizado se determina en la fase de diseño, y no en el taller.

• Elige el material que tenga menor impacto y que cumpla con los requisitos, en lugar del más resistente que haya disponible.
• Reduce el contorno general. La tela se compra según ese contorno, por lo que se adquiere un tamaño innecesario que luego hay que recortar.
• Adapta el diseño a los espesores y tamaños estándar disponibles en stock.
• Evita realizar cavidades de gran volumen cuando se pueda conseguir el mismo resultado con una forma «near-net» o un conjunto fabricado.
• Aplica tolerancias estrictas únicamente a las características funcionales. Las pasadas de acabado adicionales consumen tiempo, energía y vida útil de las herramientas, y las especificaciones estrictas aumentan el riesgo de desperdicio en características que nunca necesitaron control.
• Diseña de forma que se reduzcan los cambios de configuración, ya que cada cambio implica más manipulación, montaje en utillajes y tiempo de máquina.

Conviene hacer hincapié en el punto de tolerancia, ya que los desechos son la forma más pura de desperdicio en el mecanizado. Una pieza rechazada ya ha consumido su material, sus horas de máquina, sus herramientas y su líquido refrigerante, y no aporta nada a cambio. Por lo tanto, reducir los desechos supera a cualquier otra medida de eficiencia de la lista. Nuestra guía sobre Tolerancias de las piezas CNC explica cómo especificar características funcionales sin aplicar límites estrictos en todo el plano.

Indicadores que conviene seguir

Las afirmaciones sobre sostenibilidad que no se respaldan con datos son puro marketing. Estas son las cifras que realmente reflejan el rendimiento y que resultan fáciles de recopilar.

La tasa de desperdicio ocupa el primer puesto de esa lista. El resto de indicadores miden la eficiencia con la que se han utilizado los recursos; el desperdicio mide los recursos que se han utilizado sin ningún fin.

Cómo distinguir las prácticas reales del «greenwashing»

Dado que este tema da pie a que se utilice un lenguaje propio del marketing, conviene dejar claro qué constituye una prueba y qué no.

• Una certificación es un sistema de gestión, no una garantía de rendimiento. La norma ISO 14001 confirma que una empresa cuenta con procesos medioambientales y los revisa, lo cual es importante, pero por sí sola no garantiza que una pieza concreta se haya fabricado de forma eficiente.
• Las declaraciones sobre el contenido reciclado deben poder rastrearse. Sin la documentación correspondiente, una afirmación sobre el material reciclado no puede verificarse.
• La compensación no es lo mismo que la reducción. Ambas pueden tener su lugar, pero son cosas diferentes y no deberían presentarse como sinónimos.
• Las cifras sin un punto de referencia no significan gran cosa. Para afirmar que se ha producido una reducción, es necesario indicar un punto de partida y un periodo de referencia.

Las preguntas útiles que hay que plantear a un proveedor son concretas: ¿cómo se separan las virutas y qué se hace con ellas?, ¿cómo se controla el líquido de refrigeración y con qué frecuencia se cambia?, ¿cuál es la tasa de desechos en trabajos similares? y ¿se puede aportar alguna prueba de todo ello? Las respuestas vagas a preguntas concretas son, en sí mismas, reveladoras.

Por dónde empezar si vas a comprar piezas mecanizadas

El orden de prioridad es bastante similar en todos los proyectos. Elige el material de menor impacto que cumpla con los requisitos, reduce las dimensiones de la envolvente y del material en stock, establece tolerancias solo donde sea necesario y, a continuación, analiza la eficiencia del proceso. Trabajar en ese orden permite abordar primero los factores más importantes antes que los secundarios, lo cual es justo lo contrario de cómo se suele abordar este tema.

Yicen Precision cuenta con más de 300 máquinas CNC en Shenzhen, que abarcan fresado multieje, torneado, electroerosión por hilo, taladrado y rectificado de precisión; trabaja con 50 o más materiales con tolerancias de más o menos 0,005 mm, y cuenta con las certificaciones ISO 9001:2015, ISO 13485, ISO 14001 e IATF 16949. Nuestros ingenieros revisan cada pieza antes de elaborar el presupuesto y señalan las opciones de material, las dimensiones de la envolvente y las especificaciones de tolerancia que aumentan el coste y generan desperdicio sin aportar ninguna funcionalidad adicional. Envía un modelo a Precisión Yicen para recibir comentarios sobre el diseño orientado a la fabricabilidad, o consultar nuestro Servicios de mecanizado CNC y opciones de materiales antes de ultimar un pliego de condiciones. Facilities Management Services in the UK

Preguntas frecuentes

P: ¿Qué es lo que tiene un mayor impacto medioambiental en el mecanizado CNC?

R: El material, no la electricidad. La producción de metal a partir del mineral requiere mucho más consumo energético que su corte, por lo que la elección del material y la cantidad de material que se convierte en virutas son factores más importantes que la eficiencia de la máquina en la mayoría de los casos.

P: ¿Merece realmente la pena reciclar las virutas de aluminio?

R: Sí. El reciclaje del aluminio consume aproximadamente el cinco por ciento de la energía necesaria para producirlo a partir del mineral. Además, clasificar las virutas por aleación y eliminar el líquido refrigerante antes de su salida aumenta considerablemente su valor como chatarra.

P: ¿Se puede realizar el mecanizado CNC sin líquido refrigerante?

R: A veces. El mecanizado en seco funciona con hierro fundido y con algunos tipos de aluminio, y la lubricación con cantidad mínima resulta adecuada para muchas operaciones de fresado. Ninguno de los dos sustituye al refrigerante a alta presión en agujeros profundos o cavidades cerradas, donde lo realmente necesario es eliminar las virutas.

P: ¿Cómo puede un taller alargar la vida útil del líquido refrigerante?

R: Controla la concentración con un refractómetro y rellena con líquido correctamente mezclado, retira el aceite residual, mantén el depósito aireado y filtra las partículas finas. La mayor parte del líquido refrigerante se desecha por descuido más que por agotamiento real.

P: ¿El mecanizado sostenible es más caro?

R: Normalmente, menos. El desperdicio de material, la energía, el refrigerante, las herramientas y los residuos son todos conceptos de gasto, por lo que reducirlos mejora ambas cifras. Las excepciones son los activos fijos, como los sistemas criogénicos o las prensas de briquetado, que requieren un análisis de la amortización.