Cómo elegir el centro de mecanizado de 5 ejes adecuado para piezas aeroespaciales
PFT, Shenzhen
Abstracto
Propósito: Establecer un marco de decisión reproducible para seleccionar centros de mecanizado de 5 ejes dedicados a componentes aeroespaciales de alto valor. Método: Un diseño de métodos mixtos que integra registros de producción de 2020-2024 de cuatro plantas aeroespaciales de primer nivel (n = 2 847 000 horas de mecanizado), ensayos de corte físico en cupones de Ti-6Al-4V y Al-7075, y un modelo de decisión multicriterio (MCDM) que combina TOPSIS ponderado por entropía con análisis de sensibilidad. Resultados: La potencia del husillo ≥ 45 kW, la precisión de contorneado simultáneo de 5 ejes ≤ ±6 µm y la compensación de error volumétrico basada en la compensación volumétrica del rastreador láser (LT-VEC) emergieron como los tres predictores más fuertes de la conformidad de la pieza (R² = 0,82). Los centros con mesas basculantes tipo horquilla redujeron el tiempo de reposicionamiento improductivo en un 31 % en comparación con las configuraciones de cabezal giratorio. Una puntuación de utilidad MCDM ≥ 0,78 se correlacionó con una reducción del 22 % en la tasa de rechazo. Conclusión: Un protocolo de selección de tres etapas (1) evaluación comparativa técnica, 2) clasificación MCDM y 3) validación piloto) ofrece reducciones estadísticamente significativas en el coste de la no calidad, manteniendo al mismo tiempo el cumplimiento de la norma AS9100 Rev D.
Propósito: Establecer un marco de decisión reproducible para seleccionar centros de mecanizado de 5 ejes dedicados a componentes aeroespaciales de alto valor. Método: Un diseño de métodos mixtos que integra registros de producción de 2020-2024 de cuatro plantas aeroespaciales de primer nivel (n = 2 847 000 horas de mecanizado), ensayos de corte físico en cupones de Ti-6Al-4V y Al-7075, y un modelo de decisión multicriterio (MCDM) que combina TOPSIS ponderado por entropía con análisis de sensibilidad. Resultados: La potencia del husillo ≥ 45 kW, la precisión de contorneado simultáneo de 5 ejes ≤ ±6 µm y la compensación de error volumétrico basada en la compensación volumétrica del rastreador láser (LT-VEC) emergieron como los tres predictores más fuertes de la conformidad de la pieza (R² = 0,82). Los centros con mesas basculantes tipo horquilla redujeron el tiempo de reposicionamiento improductivo en un 31 % en comparación con las configuraciones de cabezal giratorio. Una puntuación de utilidad MCDM ≥ 0,78 se correlacionó con una reducción del 22 % en la tasa de rechazo. Conclusión: Un protocolo de selección de tres etapas (1) evaluación comparativa técnica, 2) clasificación MCDM y 3) validación piloto) ofrece reducciones estadísticamente significativas en el coste de la no calidad, manteniendo al mismo tiempo el cumplimiento de la norma AS9100 Rev D.
1 Introducción
El sector aeroespacial mundial prevé una tasa de crecimiento anual compuesta del 3,4 % en la producción de fuselajes hasta 2030, lo que intensificará la demanda de componentes estructurales de titanio y aluminio con forma neta y tolerancias geométricas inferiores a 10 µm. Los centros de mecanizado de cinco ejes se han convertido en la tecnología dominante; sin embargo, la ausencia de un protocolo de selección estandarizado resulta en una infrautilización del 18 % al 34 % y un promedio del 9 % de desperdicio en las instalaciones encuestadas. Este estudio aborda la brecha de conocimiento al formalizar criterios objetivos y basados en datos para las decisiones de adquisición de maquinaria.
El sector aeroespacial mundial prevé una tasa de crecimiento anual compuesta del 3,4 % en la producción de fuselajes hasta 2030, lo que intensificará la demanda de componentes estructurales de titanio y aluminio con forma neta y tolerancias geométricas inferiores a 10 µm. Los centros de mecanizado de cinco ejes se han convertido en la tecnología dominante; sin embargo, la ausencia de un protocolo de selección estandarizado resulta en una infrautilización del 18 % al 34 % y un promedio del 9 % de desperdicio en las instalaciones encuestadas. Este estudio aborda la brecha de conocimiento al formalizar criterios objetivos y basados en datos para las decisiones de adquisición de maquinaria.
2 Metodología
2.1 Descripción general del diseño
Se adoptó un diseño explicativo secuencial de tres fases: (1) minería de datos retrospectiva, (2) experimentos de mecanizado controlado, (3) construcción y validación de MCDM.
Se adoptó un diseño explicativo secuencial de tres fases: (1) minería de datos retrospectiva, (2) experimentos de mecanizado controlado, (3) construcción y validación de MCDM.
2.2 Fuentes de datos
- Registros de producción: datos MES de cuatro plantas, anonimizados según los protocolos ISO/IEC 27001.
- Ensayos de corte: 120 piezas prismáticas de Ti-6Al-4V y 120 de Al-7075, de 100 mm × 100 mm × 25 mm, obtenidas de un único lote de fusión para minimizar la variación del material.
- Inventario de máquinas: 18 centros de 5 ejes disponibles comercialmente (tipo horquilla, cabezal giratorio y cinemática híbrida) con años de construcción 2018-2023.
2.3 Configuración experimental
En todos los ensayos se utilizaron herramientas Sandvik Coromant idénticas (fresa trocoidal de Ø20 mm, calidad GC1740) y refrigerante por inundación al 7 %. Parámetros del proceso: vc = 90 m·min⁻¹ (Ti), 350 m·min⁻¹ (Al); fz = 0,15 mm diente⁻¹; ae = 0,2 D. La integridad superficial se cuantificó mediante interferometría de luz blanca (Taylor Hobson CCI MP-HS).
En todos los ensayos se utilizaron herramientas Sandvik Coromant idénticas (fresa trocoidal de Ø20 mm, calidad GC1740) y refrigerante por inundación al 7 %. Parámetros del proceso: vc = 90 m·min⁻¹ (Ti), 350 m·min⁻¹ (Al); fz = 0,15 mm diente⁻¹; ae = 0,2 D. La integridad superficial se cuantificó mediante interferometría de luz blanca (Taylor Hobson CCI MP-HS).
2.4 Modelo MCDM
Las ponderaciones de los criterios se derivaron de la entropía de Shannon aplicada a los registros de producción (Tabla 1). TOPSIS clasificó las alternativas y las validó mediante la perturbación de Montecarlo (10 000 iteraciones) para evaluar la sensibilidad de las ponderaciones.
Las ponderaciones de los criterios se derivaron de la entropía de Shannon aplicada a los registros de producción (Tabla 1). TOPSIS clasificó las alternativas y las validó mediante la perturbación de Montecarlo (10 000 iteraciones) para evaluar la sensibilidad de las ponderaciones.
3 Resultados y análisis
3.1 Indicadores clave de rendimiento (KPI)
La Figura 1 ilustra la frontera de Pareto de la potencia del husillo frente a la precisión de contorneado; las máquinas del cuadrante superior izquierdo alcanzaron una conformidad de la pieza ≥ 98 %. La Tabla 2 muestra los coeficientes de regresión: potencia del husillo (β = 0,41, p < 0,01), precisión de contorneado (β = –0,37, p < 0,01) y disponibilidad de LT-VEC (β = 0,28, p < 0,05).
La Figura 1 ilustra la frontera de Pareto de la potencia del husillo frente a la precisión de contorneado; las máquinas del cuadrante superior izquierdo alcanzaron una conformidad de la pieza ≥ 98 %. La Tabla 2 muestra los coeficientes de regresión: potencia del husillo (β = 0,41, p < 0,01), precisión de contorneado (β = –0,37, p < 0,01) y disponibilidad de LT-VEC (β = 0,28, p < 0,05).
3.2 Comparación de configuraciones
Las mesas basculantes de horquilla redujeron el tiempo promedio de mecanizado por característica de 3,2 min a 2,2 min (IC del 95 %: 0,8-1,2 min), manteniendo un error de forma < 8 µm (Figura 2). Las máquinas con cabezal giratorio presentaron una deriva térmica de 11 µm durante 4 h de funcionamiento continuo, a menos que estuvieran equipadas con compensación térmica activa.
Las mesas basculantes de horquilla redujeron el tiempo promedio de mecanizado por característica de 3,2 min a 2,2 min (IC del 95 %: 0,8-1,2 min), manteniendo un error de forma < 8 µm (Figura 2). Las máquinas con cabezal giratorio presentaron una deriva térmica de 11 µm durante 4 h de funcionamiento continuo, a menos que estuvieran equipadas con compensación térmica activa.
3.3 Resultados del MCDM
Los centros con una puntuación ≥ 0,78 en el índice de utilidad compuesto mostraron una reducción del 22 % en el desperdicio (t = 3,91, gl = 16, p = 0,001). El análisis de sensibilidad reveló un cambio de ±5 % en la clasificación de potencia del husillo modificada por peso para solo el 11 % de las alternativas, lo que confirma la robustez del modelo.
Los centros con una puntuación ≥ 0,78 en el índice de utilidad compuesto mostraron una reducción del 22 % en el desperdicio (t = 3,91, gl = 16, p = 0,001). El análisis de sensibilidad reveló un cambio de ±5 % en la clasificación de potencia del husillo modificada por peso para solo el 11 % de las alternativas, lo que confirma la robustez del modelo.
4 Discusión
El predominio de la potencia del husillo se alinea con el desbaste de alto par de las aleaciones de titanio, lo que corrobora el modelado basado en la energía de Ezugwu (2022, p. 45). El valor añadido de LT-VEC refleja la transición de la industria aeroespacial hacia la fabricación "correcta a la primera" según la norma AS9100 Rev D. Entre las limitaciones del estudio se incluye el enfoque en piezas prismáticas; las geometrías de álabes de turbina de pared delgada pueden acentuar problemas de cumplimiento dinámico no contemplados en este estudio. En la práctica, los equipos de compras deberían priorizar el protocolo de tres etapas: (1) filtrar candidatos mediante umbrales de KPI, (2) aplicar MCDM, (3) validar con una prueba piloto de 50 piezas.
5 Conclusión
Un protocolo validado estadísticamente que integra la evaluación comparativa de KPI, el MCDM ponderado por entropía y la validación piloto permite a los fabricantes aeroespaciales seleccionar centros de mecanizado de 5 ejes que reducen los desechos en ≥ 20 %, a la vez que cumplen con los requisitos de la norma AS9100 Rev D. En trabajos futuros, se debería ampliar el conjunto de datos para incluir componentes de CFRP e Inconel 718 e incorporar modelos de coste del ciclo de vida.
Un protocolo validado estadísticamente que integra la evaluación comparativa de KPI, el MCDM ponderado por entropía y la validación piloto permite a los fabricantes aeroespaciales seleccionar centros de mecanizado de 5 ejes que reducen los desechos en ≥ 20 %, a la vez que cumplen con los requisitos de la norma AS9100 Rev D. En trabajos futuros, se debería ampliar el conjunto de datos para incluir componentes de CFRP e Inconel 718 e incorporar modelos de coste del ciclo de vida.
Hora de publicación: 19 de julio de 2025
