Procedimiento para el cálculo del coste del fresado químico en la fabricación de piezas de aleaciones de aluminio para la industria aeronáutica

i Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de la Energía Procedimiento para el Cálculo del Coste del Fresado Químico en la Fabricación de Piezas de Aleaciones de Aluminio para la Industria Aeronáutica Autor: Jorge Castaño Luis Tutor: José Morillo Aguado Dpto. Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 ii iii Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de la Energía Procedimiento para el Cálculo del Coste del Fresado Químico en la Fabricación de Piezas de Aleaciones de Aluminio para la Industria Aeronáutica Autor: Jorge Castaño Luis Tutor: José Morillo Aguado Profesor titular Dpto. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 iv v Proyecto Fin de Carrera: Procedimiento para el Cálculo del Coste del Fresado Químico en la Fabricación de Piezas de Aleaciones de Aluminio para la Industria Aeronáutica Autor: Jorge Castaño Luis Tutor: José Morillo Aguado El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: vi Sevilla, 2018 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros viii ix Agradecimientos “A mi familia por haberme apoyado siempre y estar a mi lado A mis tutores, José Morillo y Jose Manuel Carmona por haberme guiarme cada vez que lo necesité y las horas dedicadas A mis compañeros por los momentos vividos durante estos años de carrera y apoyo mútuo” Jorge Castaño Luis Sevilla, 2018 3 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Designación de aleaciones y principales aleantes de cada aleación de aluminio………….. 22 Tabla 2. Disolución de ataque para el fresado químico Tipo I……………………………………… 45 Tabla 3. Disolución de ataque para fresado químico Tipo II……………………………………….. 46 Tabla 4. Baños de desoxidado………………………………………………………………………... 46 Tabla 5. Desoxidado con fresado químico Tipo II…………………………………………………... 47 Tabla 6. Etapas que componen la limpieza previa de una pieza…………………………………… 63 Tabla 7. Productos empleados para la limpieza previa de la pieza y costes de formación y recarga de los baños……………………………………………………………………………………………. 67 Tabla 8. Reparto de la carga de los baños de limpieza………………………………………………. 67 Tabla 9. Datos obtenidos durante el enmascaramiento de las piezas con 4 bidones distintos……… 70 Tabla 10. Tiempos de trazado y perímetros totales trazados………………………………………... 74 Tabla 11. Tiempos de pelado y perímetros totales de superficies a pelar…………………………… 77 Tabla 12. Tiempos de repaso y áreas de revisión de la pieza para analizar si es necesario o no repasar…………………………………………………………………………………………………. 79 Tabla 13. Precio unitario de los productos del baño de fresado……………………………………... 82 Tabla 14. Cantidades de los productos que componen el baño de fresado y coste de los productos.. 83 Tabla 15. Coste del gasoil, la retirada de los productos del baño antigüo y la depuradora……........ 83 Tabla 16. Producto empleado en el desoxidado posterior y costes de formación y recargas del baño………………………………………………………………………………………………........ 86 Tabla 17. Resumen de los resultados obtenidos tras la aplicación del método en las distintas piezas………………………………………………………………………………………………... 106 4 5 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. Douglas DC-3………………………………………………………………………………. 16 Figura 2. DC-8 (izquierda) y Boeing 707 (derecha)…………………………………………………. 17 Figura 3. Hitos de la industria aeronáutica………………………………………………………….. 18 Figura 4. Influencia del peso del avión en el ángulo de ataque……………………………………... 20 Figura 5. Esquema de procesos químicos en la industria aeronáutica……………………………... 27 Figura 6. Cadena de baños de proceso químico……………………………………………………... 28 Figura 7. Resultado final tras el proceso de anodizado……………………………………………... 31 Figura 8. Diagrama del proceso de anodizado tartárico-sulfúrico…………………………………. 33 Figura 9. Diagrama de los procesos de anodizado crómico y anodizado sulfúrico……………….... 34 Figura 10. Diagrama del proceso de fresado químico……………………………………………….. 37 Figura 11. Diagrama de flujo del proceso de limpieza previa de una pieza de aluminio…………... 38 Figura 12. Pistola erográfica de la empresa colaboradora empleada para la imprimación del enmascarante………………………………………………………………………………………….. 39 Figura 13. Piezas enmascaradas……………………………………………………………………… 40 Figura 14. Útil de trazado de la empresa colaboradora…………………………………………....... 41 Figura 15. Plantillas empleadas para el trazado de las áreas a fresar……………………………… 42 Figura 16. Piezas tras trazado, pelado y repaso de las mismas……………………………………... 43 Figura 17. Pasos en escalones de un fresado químico……………………………………………….. 44 Figura 18. Resultado final de dos piezas tras un tratamiento de fresado químico…………………. 49 Figura 19. Pieza con dos escalones de fresado químico…………………………………………….... 50 Figura 20. Características del proceso de fresado químico…………………………………………. 51 Figura 21. Condición para aceptar una pieza con defectos…………………………………………. 52 Figura 22. Posibles defectos superficiales tras el fresado químico………………………………….. 53 Figura 23. Efecto microscópico de la acción del fresado químico sobre la superficie de la pieza….. 54 Figura 24. Desglose de los costes asociados al tratamiento de fresado químico…………………….. 62 Figura 25 . Bastidor de carga de la empresa colaboradora…………………………………………. 64 Figura 26. Área útil total del bastidor de carga……………………………………………………… 65 Figura 27. Área ocupada por la pieza en el bastidor de carga………………………………………. 65 Figura 28. Bidón de producto enmascarante Masking D……………………………………………. 69 6 Figura 29. Piezas colgadas por el operario para la imprimación del enmascarante……………….. 73 Figura 30. Velocidad de trazado de las piezas……………………………………………………….. 75 Figura 31.Velocidad de pelado de las piezas…………………………………………………………. 77 Figura 32.Velocidad de repaso de las piezas…………………………………………………………. 80 Figura 33. Concentración máxima de aluminio que pueden aportar las piezas al baño de fresado químico………………………………………………………………………………………………… 81 Figura 34. Regla de tres empleada para calcular el coste de la aportación de aluminio de la pieza estudiada al baño……………………………………………………………………………………… 81 Figura 35. Interfaz del programa creado en excel para el cálculo del coste asociado al fresado químico de una pieza aeronáutica……………………………………………………………………. 93 Figura 36. Resultados proporcionados por el método aplicado sobre refuerzo de fuselaje central…………………………………………………………………………………………………. 97 Figura 37. Resultados proporcionados por el método aplicado sobre revestimiento puerta fuselaje posterior………………………………………………………………………………………………. 99 Figura 38. Resultados proporcionados por el método aplicado sobre borde de ataque…………… 102 Figura 39. Resultados proporcionados por el método aplicado sobre visera puerta A400M……… 105 7 8 1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1.1 Antecedentes El fresado químico es un proceso de mecanizado que existe desde la antigüedad. Su utilización histórica va desde el grabado de metales y piedras, el decapado y el desbarbado, hasta la producción de tarjetas electrónicas, circuitos impresos y chips de microprocesadores o mecanizado de grandes piezas de la industria aeroespacial para aligerar su peso. El fresado químico puede considerarse uno de los métodos de grabado no convencional más antigüos de la historia, puesto que los egipcios, en el año 2300 a.C. ya lo empleaban para conformar cobre mediante el uso de ácido cítrico. Desde entonces, es un proceso que ha evolucionado constantemente, llegando hasta el siglo XIX para su uso en grabados decoraticvos. Posteriormente, una de las mayores aportaciones constructivas del proceso se produjo gracias a la fotografía, disciplina en la que se empezaron a utilizar materiales fotosensibles para grabar sobre aleaciones de estaño-plomo. Sin embargo, el mayor desarrollo de esta tecnología a nivel industrial se consiguió a partir de la Segunda Guerra Mundial, siendo empleada para la grabación de inscripciones en el armamento y para aligerar piezas de las aeronaves de guerra. Hasta 1953 no se utilizó el proceso de “grabado” en algunos componentes de aluminio de cohetes, propiedad de la North American Aviation Inc., California, compañía que le otorgó al proceso el nombre de fresado químico (chemical milling) y lo patentó en 1956. En la actualidad es un proceso ampliamente utilizado en el sector aeronáutico. Se emplea tanto para el fuselaje de aviones militares como comerciales, para turbinas y motores de cohetes, helicópteros y misiles. Otro sector en el que tiene una gran aplicación es en la industria electrónica y microelectromecánica. 1.2 Objeto El presente proyecto tiene como objeto el desarrollo de un método para calcular el coste asociado al fresado químico de una pieza aeronáutica. Este surge de la necesidad real de la empresa donde se llevaron a cabo las Prácticas Externas de Empresa, la cual precisaba de un método para la cotización de las piezas a las cuales les realiza un tratamiento de fresado químico. Para la elaboración del método se hará uso de las especificaciones y las descripciones de las distintas operaciones a realizar que aparecen en las normas proporcionadas por la empresa colaboradora, las cuales pertenecen a uno de los principales fabricantes del sector aeronáutico. 9 Por último, para facilitar el empleo del método elaborado por parte de la empresa colaboradora este fue implementado en Excel. 1.3 Contenido del proyecto El proyecto se compone de 7 capítulos, los cuales se presentarán a continuación. El presente capítulo es un capítulo introductorio compuesto por tres apartados en los cuales se habla de los antecedentes históricos del fresado químico, el objetivo del proyecto y su contenido. El segundo capítulo versa sobre la industria aeronáutica. Este se compone de cinco apartados, en los cuales se recogerán los principales hitos de la industria aeronáutica, el problema que supone el peso en el sector aeronáutico, así como una de sus posibles soluciones, las aleaciones ligeras y el uso de esas aleaciones en los aviones. El tercer capítulo recoge los principales tratamientos químicos que se llevan a cabo en la industria aeronáutica, tanto sobre piezas de aleaciones de aluminio como sobre otros tipos de metales. El cuarto capítulo está dedicado al proceso en el cual se basa el método a desarrollar en el presente proyecto, el tratamiento de fresado químico. En el se explicará en qué consiste dicho tratamiento, así como las diferentes operaciones que deben llevarse a cabo en el y sus especificaciones, basándose en la norma de uno de los principales fabricantes del sector. Por último se darán a conocer las principales aplicaciones del tratamiento de fresado químico y sus ventajas y desventajas. En el quinto capítulo se enumerarán as distintas variables que se han tenido en cuenta para el desarrollo del método y se explicará como influyen dichas variables en el cálculo del coste de la pieza de estudio. También se explica la estructura de costes asociados al tratamiento de fresado químico. El sexto capítulo está reservado para el análisis de los costes anteriormente mencionados y el desarrollo del método para calcular el coste asociado al fresado químico de una pieza de aluminio. En el se llevará a cabo un desglose de los costes asociados a cada etapa del proceso y se analizará cada uno por separado, llegando a una expresión a partir de la cual, en función de las características de la pieza y los requisitos del cliente, es posible calcular el coste de dicha pieza. En el séptimo capítulo se recoge la expresión final obtenida en el capítulo anterior, la cual agrupa todos los costes del tratamiento de fresado químico, y se implementará en un programa Excel. Se explicará como funciona el programa obtenido y se aplicará sobre cuatro piezas distintas. Introducción y Objetivos 15 2 INDUSTRIA AERONÁUTICA 2.1. Historia de la Industria Aeronáutica Sus inicios se remontan a la Grecia Antigüa. Se tienen noticias de que alrededor del año 400 a. C., Arquitas de Tarento construyó un artefacto de madera que bautizó con el nombre de "Paloma", que tenía forma de ave y era capaz de volar. Al parecer utilizaba un chorro de aire para alzar el vuelo, pero no se tiene constancia de qué era lo que producía ese chorro. El objeto volador se amarraba mediante unas cuerdas que permitían realizar un vuelo controlado hasta que el chorro de aire terminaba. Este artefacto de madera probablemente fue la primera máquina voladora capaz de moverse por medios propios. Sobre el año 300 a. C. los chinos inventaron la cometa y desarrollaron técnicas para hacerla volar ágilmente. Siglos después, en el año 559 hay documentados vuelos de seres humanos usando cometas. Al parecer el emperador Gao Yang experimentó con prisioneros. Yang ordenó a varios prisioneros lanzarse desde lo alto de una torre, logrando algunos planear hasta sobrepasar las murallas de la ciudad. En el año 852, el andalusí Abbás Ibn Firnás, se lanzó desde el minarete de la Mezquita de Córdoba con una enorme lona para amortizar la caída, sufriendo heridas leves, pero pasando a la historia como el precursor de los modernos paracaídas. En el 875, ya con 65 años de edad, Ibn Firnás confeccionó unas alas de madera recubiertas de tela de seda que adornó con plumas de rapaces. Con ellas se lanzó desde lo alto de una colina logrando permanecer en el aire durante un breve periodo de tiempo. Leonardo da Vinci (1452-1519), pintor, escultor, arquitecto, ingeniero e inventor italiano, se dedicó seriamente a proyectar una máquina capaz de volar. Da Vinci diseñó planeadores y ornitópteros, que usaban mecanismos parecidos a los usados por los pájaros para volar, a través de un movimiento constante de las alas para arriba y para abajo. Sin embargo, nunca llegó a construir tales máquinas, pero sus diseños se han conservado hasta nuestros días. Durante el siglo XVIII se sabe de variados intentos de volar, culminando en 1783 con el vuelo en globo aerostático de los Hermanos Montgolfier, aunque su defecto es el no poder ser totalmente controlados. El problema del control se resolvió en el siglo siguiente, cuando Henry Giffat inventa el dirigible en 1852, una máquina capaz de mantenerse en vuelo controlado durante algún tiempo. También se comienzan a construir los primeros aeroplanos equipados con motor, pero que, incluso impulsados por ayudas externas, apenas lograban despegar y recorrer unos metros. Sin embargo, el 17 de diciembre de 1903, en Kitty Hawk los hermanos Orville y Wilbur Wright logran, mediante una maquina controlable, volar. La Era de la Aviación había comenzado. Desde ese momento, la Aeronáutica se convierte en uno de los avances de la civilización más importantes de la Era Moderna, con un rapidísimo desarrollo, solo igualado ya en la segunda mitad del siglo XX por la Electrónica. Industria Aeronáutica 16 Esta nueva disciplina técnica no sólo avanza con rapidez, sino que se convierte en vanguardia tecnológica, y sus desarrollos sirven de motor y aplicación en muchas otras industrias y aspectos cotidianos. Casi desde el comienzo, el aeroplano y su industria aparecen como un revolucionario método de salvar grandes distancias, complicadas geografías y mares, todo ello a unas velocidades hasta la fecha impensable: desde el principio se intuye el concepto de transporte aéreo. Y también los gobiernos son rápidamente conscientes del potencial bélico de la nueva máquina, apareciendo la industria aeronáutica militar. Desde comienzos del siglo XX hasta la Primera Guerra Mundial, el aeroplano es una máquina experimental que necesita ser perfeccionada para tener éxito comercial, aunque en 1910 aparecen los primeros usos del avión para el trasporte de mercancías. En 1914 se establece en Florida (Estados Unidos) una línea regular para trasladar personas. Con el comienzo de la Primera Guerra Mundial empieza el desarrollo técnico y productivo del avión. En estos momentos, Alemania y el Reino Unido tienen del orden de 250 aeroplanos militares. La importancia del avión como arma y su rápido desarrollo se comprueba si se observa que al terminar esta contienda, en 1918, Alemania y el Reino Unido tienen operativos unos 16.000 y 22.000 aviones respectivamente. En los años 20 el desarrollo militar se recicla en civil, apareciendo las primeras compañías aéreas. En 1919, Junkers desarrolla en Alemania el avión metálico, con estructura de barras y chapa ondulada. La fiabilidad de los aviones comienza a tomar cuerpo. En 1927, el americano Lindbergh cruza el Atlántico en un avión llamado “Spirit of St. Louis”. En los años 30 se desarrollan los hidroaviones que utilizan muchas líneas aéreas. En 1930, Whittle desarrolla en Inglaterra los principios del reactor. También ese año Boeing idea el concepto de ala baja. En 1935, con ese concepto, nace el versátil Douglas DC-3. En 1938, Boeing crea el B307, con cabina presurizada. Y en 1939, la Segunda Guerra Mundial vuelve a revolucionar la Aeronáutica, aumentando espectacularmente los índices de producción, fiabilidad y desarrollo tecnológico, velocidades, pesos al despegue, alcances y altitudes. En 1941 se establecen los conceptos básicos de la radionavegación y la electrónica de abordo o Aviónica. En 1943, en plena Guerra Mundial, Messerschmitt fabrica el caza Me-262, el primer avión a reacción del mundo. A finales de la guerra aparecen las grandes fortalezas volantes como el Boeing B-29. Terminada la lucha, estos diseños dan pié al concepto de avión de aerolínea moderno. Aparecen el Douglas DC-4 y el Lockheed Figura 1. Douglas DC-3 Industria Aeronáutica 17 Constellation. El 14 de octubre de 1947, el avión experimental Bell X-1 atraviesa la “Barrera del Sonido”. En 1949, De Havilland vuela el Comet, el primer avión de pasajeros con motor a reacción. También este avión descubre el efecto de la “fatiga de los materiales”, sufriendo diferentes accidentes. En 1950, durante la Guerra de Corea, Sirkosky elabora el concepto del helicóptero moderno, con su modelo VS-300 y lo desarrollará en esta década. En 1954, Boeing pone en servicio el B-52, superfortaleza militar de ocho reactores. Bell crea y prueba el concepto de ala de geometría variable con el X-5. Douglas comienza a utilizar experimentalmente el titanio en las estructuras de aviones. En 1956 el Dassault Mirage III es el primer caza supersónico de la historia. A finales de los 50, el Boeing 707 y el Douglas DC-8 sientan las bases del avión comercial transoceánico a reacción moderno. El francés Caravelle hace lo propio para vuelos continentales. Durante los 60, el Boeing 727 y 737 y el Douglas DC- 9 popularizan los vuelos en avión, y comienza el desarrollo de la Aviación General. En 1961, la cosmonave Vostok pone en órbita a un ser humano, Yuri Gagarin. A finales de esta década, el Concorde introduce el vuelo supersónico en la aviación civil y Boeing el de avión gigante de fuselaje ancho, el B-747. Inglaterra sienta las bases del despegue vertical con el Hawker. Figura 2. DC-8 (izquierda) y Boeing 707 (derecha) Industria Aeronáutica 24 de esta serie es la 6061, que en condiciones de T6 alcanza resistencias de 290 MPa, empleándose para fines estructurales de carácter general. - Las aleaciones de la serie 7xxx añaden al aluminio contenidos variables de Zn, Mg y Cu que al combinarse entre sí forman compuestos intermetálicos del tipo MgZn2, que es el principal elemento endurecedor de estas aleaciones, y debido a la alta solubilidad del zinc y magnesio en el aluminio, permite una alta densidad de precipitados y por lo tanto un elevado índice de endurecimiento. La aleación más importante de esta serie es la 7075, con una composición aproximada de 5,6% de Zn, 2,5% de Mg, 1,6% de Cu y 0,25% de Cr, que con un tratamiento T6 alcanza resistencias de tracción de 504 MPa. La importancia de estas aleaciones radica en las elevadas prestaciones mecánicas que alcanzan tras un envejecimiento natural, por lo que son empleadas en estructuras de vehículos de transporte, principalmente en la industria aeronáutica.  Aleaciones de aluminio de fundición. Estas aleaciones se basan en los mismos sistemas de aleación como los de aluminio de forja, se refuerzan por los mismos mecanismos y se clasifican de manera similar en tratables y no tratables térmicamente. La principal diferencia entre ambas radica en que las aleaciones de fundición contienen mayores cantidades de agregados de silicio que las aleaciones de forja. Las aleaciones de aluminio de fundición presentan buenas cualidades de colabilidad, fluidez y capacidad de alimentación de los moldes, así como una mejora en las propiedades de resistencia y tenacidad o resistencia a la corrosión. Presentan también una mayor tolerancia a las impurezas que las aleaciones de forja y un límite elástico de hasta 435 MPa. El principal problema que presentan estas aleaciones es su elevado nivel de contracción, aunque esto puede ser solucionado realizando un buen diseño del proceso de modelo. Los principales aleantes de las aleaciones de fundición son: - Silicio (5-12%): aumenta la fluidez - Magnesio (0,3-1%): endurece por precipitación y mejora la resistencia - Cobre (1-4%): aumenta la resistencia, especialmente a altas temperaturas. 2.4 El aluminio en el sector aeronáutico Las piezas de aleaciones de aluminio son generalmente el fuselaje y las alas, piezas de gran tamaño y con morfologías complejas que dificultan el acceso con herramientas y la sujeción de las mismas a la hora de mecanizarlas. Es por ello que suponen un porcentaje alto del total de los materiales empleados en la fabricación de un avión. Industria Aeronáutica 25 Cabe mencionar que el 82% de la estructura de la aeronave Boeing 747 y el 70% de un 777 está constituido por aleaciones de aluminio. Las partes principales del avión construidas con aleaciones de aluminio son las siguientes:  Bordes de ataque  Fuselaje  Cono de cola  Mamparo trasero  Portones  Largueros y costillas  Capots del motor  Carena ventral  Paneles de los trenes de aterrizaje Una desventaja importante de las aleaciones ligeras con respecto a los materiales compuestos es su vulnerabilidad frente a la corrosión, algo que estos últimos no tienen. Es por ello que el diseño de los nuevos aviones se basa en la fibra de carbono, material que combina dureza, muy buena relación resistencia/peso y es resistente a la corrosión. Sin embargo, la flota de aviones existentes esta conformada mayoritariamente por piezas de aleaciones de aluminio y aún debe llevarse a cabo su mantenimiento. 2.5 Mercado Aeronáutico El Mercado Aeronáutico presenta características propias que le hacen un mercado difícil en el más amplio sentido de la palabra. En forma resumida podemos decir que se caracteriza por: - Producto muy complejo. Un avión consta de miles de piezas formando “sistemas”, que deben trabajar acompasadamente y que se encuentra gobernado en muy alta medida por ordenadores. - Producto con altísimo coste de desarrollo y lento retorno de la inversión. Hoy día los costes de desarrollo típico de un nuevo avión de tamaño medio-grande puede sobrepasar los 10.000 millones de euros y el retorno de inversión está en el entorno de los 10 años. - Alta Tecnología. Con lo anteriormente dicho, es claro que el avión es un producto muy complejo y sofisticado, que requiere por ello la utilización de una alta tecnología para su diseño, desarrollo, fabricación e incluso para su mantenimiento. - Gran Gasto en I+D+i. Para mantenerse en esa línea de alta tecnología y para poder mantener un nivel Industria Aeronáutica 26 de innovación acorde con el producto y las demandas del mercado, se requiere por parte de las empresas un gran gasto en “Investigación, Desarrollo e Innovación”. - Muy concentrado. Al revisar la evolución de la Aeronáutica se observa que el número de empresas actuales capaces de diseñar, poner en fabricación y volar un producto nuevo es muy pequeño. Pero el número sigue siendo pequeño incluso en empresas menores que colaboran con las anteriores y están dedicadas solo a algunas de esas actividades. - Difícil penetración. Acorde con lo anteriormente expuesto: alta tecnología, gran gasto en I+D+i y concentración empresarial, resulta un mercado de difícil penetración para nuevas empresas. - Beneficios ajustados. A una gran complejidad y un alto coste de desarrollo, le siguen unos ajustados beneficios, en parte porque el precio de venta tiene que estar limitado por la propia dinámica del mercado. 27 3 TRATAMIENTOS QUÍMICOS EN LA INDUSTRIA AERONÁUTICA En el presente capítulo se expondrán los principales tratamientos químicos realizados sobre piezas en la industria aeronáutica, los cuales serán englobados en tres grandes grupos en función de su finalidad, ver Figura 5. El primero engloba a los procesos de limpieza previa a los que deben ser sometidas las piezas a las que se les va a realizar algún tratamiento posterior, el segundo incorpora los procesos para prevenir la corrosión de las piezas por sí mismos y además favorecer el anclaje posterior del esquema de pintura, estos son los llamados tratamientos químicos superficiales, y el último grupo consiste en el mecanizado por medios químicos, entre ellos fundamentalmente el tratamiento de fresado químico sobre el que se centrará el presente trabajo. - Películas de conversión química - Anodizado - Pasivado - Fosfatado de acero - Cadmiado - Películas de conversión química - Anodizado - Soldadura - Recubrimientos químicos y electrolítos - Fresado químico - Tratamientos químicos - Inspección penetrante PROCESOS QUÍMICOS EN LA INDUSTRIA AERONÁUTICA Limpieza Previa Tratamientos para prevenir la corrosión y anclar pintura Mecanizado Químico Fresado químico Figura 5. Esquema de procesos químicos en la industria aeronáutica Tratamientos Químicos en la Industria Aeronáutica 28 Estos procesos químicos se realizan en cadenas de baños de procesos químicos, ver ejemplo de cadena de baños en Figura 6. En todos los procesos de tratamientos químicos se deberán tener en cuenta las siguientes instrucciones: o Las piezas se montarán en los soportes o bastidores que las transportarán a lo largo del proceso, de forma que:  Se evite la retención de las soluciones de tratamiento  Se evite la retención de aire  Se permita la salida libre de los gases producidos durante el tratamiento  Se impida el rozamiento de las piezas entre sí o A la salida de cada baño se dejarán escurrir las piezas unos instantes, antes de pasarlas al baño siguiente. o En los tratamientos electrolíticos:  Se deberán utilizar bastidores o soportes construidos en acero, cobre o titanio, que además de ser capaces de soportar, sin deformarse, los esfuerzos mecánicos a los que se van a Figura 6. Cadena de baños de proceso químico Tratamientos Químicos en la Industria Aeronáutica 29 someter, permitan el paso de la comente de tratamiento.  Los contactos eléctricos entre el bastidor y las barras que llevan la corriente hasta el baño y entre el bastidor y las piezas, deberán estar diseñados de forma que permitan una unión rígida y una superficie de contacto suficiente.  Los bastidores se protegerán con productos aislantes y resistentes a las soluciones de tratamiento, excepto en las superficies de contacto. A continuación se llevará a cabo una breve descripción de los grupos mencionados anteriormente y se enumerarán los distintos procesos empleados en cada uno de ellos para conseguir los objetivos deseados: 1) Limpieza química: este es un proceso fundamental, ya que si se lleva a cabo de forma defectuosa incide de forma directa en la calidad de los procesos posteriores. Antes de llevar a cabo la limpieza se realiza un examen visual de las piezas para conocer su estado superficial y grado de contaminación. También deben de conocerse los procesos posteriores a la limpieza a los que serán sometidos las piezas con el objetivo de conocer el tipo de limpieza a realizar. Las principales empresas del sector aeronáutico tienen sus propias normas y procedimientos con el esquema de limpieza a seguir (secuencia de productos químicos, concentraciones, temperaturas y tiempos) según el tratamiento posterior. Estos tratamientos posteriores pueden ser: - Peliculas de conversión química - Anodizado - Soldadura - Recubrimientos químicos y electrolitos - Fresado químico - Tratamientos térmicos - Inspección penetrante Cualquier esquema de limpieza química comienza con una operación de desengrase. Con estas operaciones se eliminan todo tipo de aceites, grasas, pastas de pulido y contaminaciones superficiales producidas en la manipulación de las piezas. Los procesos de desengrases más utilizados son los siguientes: - Desengrase en fase vapor con disolventes colorados. Muy recomendable para una primera eliminación de las materias grasas y aceites que impregnan la superficie de las piezas procedentes del mecanizado u operaciones de estirado. Sin embargo, no disuelve completamente las grasas de tipo sólido fuertemente incrustadas, ni los residuos sólidos de las pastas de pulir. Tratamientos Químicos en la Industria Aeronáutica 30 - Desengrase por emulsión. Se lleva a cabo mediante inmersión de las piezas en disolventes emulsionantes. Con la adecuada combinación de estos productos se consiguen soluciones que a la acción disolvente de las grasas, unen una acción emulsionable y de arrastre de los productos adheridos a la superficie de la pieza, no eliminados en el desengrase con disolventes en fase vapor. El desengrase por emulsión deja sobre la superficie de la pieza una capa protectora que deberá ser eliminada a continuación mediante un desengrase alcalino. - Desengrase alcalino. Es un tratamiento de limpieza química que se consigue por inmersión de las piezas en una solución alcalina formada por sales inorgánicas, jabones o productos tensoactivos e inhibidores del ataque químico. En esta limpieza, la grasa es saponificada en parte, convirtiéndose en un compuesto soluble, fácilmente arrastrable y en parte emulsionada por agentes tensioactivos. Las partículas sólidas procedentes de las pastas de pulir, junto con el polvo y restos metálicos, son arrastrados por absorción mediante agentes coloidales también presentes en la solución alcalina. Esta limpieza se aplica después de un primer tratamiento, cualquiera de los mencionados anteriormente. - Desengrase anódico. Tratamiento electrolítico exclusivo para acero en el cual las piezas se introducen en el baño suspendidas de un soporte que se conecta a la barra anódica del baño. El cátodo lo forman placas de acero sumergidas en el electrolito conectados a la barra catódica del baño. Tanto la barra anódica como la catódica están conectadas a un rectificador de corriente. 2) Tratamientos para prevenir corrosión y mejorar el anclaje de pintura: la corrosión provoca sobre las piezas un cambio en el área de la sección transversal de la parte estructural afectada, aumentando la probabilidad de rotura. Para prevenir dicho fenómeno se llevan a cabo una serie de tratamientos químicos, los cuales se mencionan a continuación: - Peliculas de conversión química. A este procedimiento, aplicado sobre aluminio y sus aleaciones, se le llama cormatado. Se distinguen dos tipos de películas de conversión química:  Tipo I – Coloreadas: distinguidas por su mayor resistencia a la corrosión.  Tipo II – Incoloras: caracterizadas por su baja resistencia eléctrica. Este tratamiento puede aplicarse de dos formas, mediante inmersión en baños o por un método manual, ya sea empleando brochas o rotuladores específicamente diseñados para este proceso. - Anodizado. Se denomina anodizado al proceso electrolítico mediante el cual el aluminio se recubre de una película de alúmina cuyo espesor y propiedades dependen más del proceso usado que del tipo de aleación. La alúmina formada en el anodizado es anhidra y porosa, con un gran poder absorbente, propiedad que puede aprovecharse para teñirla, Tratamientos Químicos en la Industria Aeronáutica 31 introduciendo en sus poros pigmentos coloreados. La alúmina anhidra en presencia de humedad se hidrata transformándose en alúmina monohidratada, con el consiguiente aumento de volumen que cierra los poros. Esta operación de hidratación de la película anódica recibe el nombre de sellado o de fijado en el caso particular de películas teñidas. Las piezas anodizadas sufren un aumento dimensional por cada superficie de aproximadamente el 50% del espesor de la película, el cual se forma en un 50% a costa del metal base. Vease ejemplo en la Figura 7. Dentro de los procesos de anodizado, según la norma de uno de los principales fabricantes del sector, pueden distinguirse tres tipos principales:  Anodizado sulfúrico. Las películas obtenidas son normalmente transparentes, de más espesor y porosidad, por lo que son más aptas para aplicar que las obtenidas con ácido crómico.  Anodizado crómico. Las películas obtenidas por este proceso son opacas, más blandas, de menor espesor y mayor resistencia al desgaste que las capas obtenidas con ácido sulfúrico. Sin embargo, presentan una mayor ductilidad y, para espesores iguales, mayor resistencia a la corrosión.  Anodizado tartárico-sulfúrico. Permite obtener capas anódicas con propiedades equivalentes a las obtenidas mediante anodizado crómico sin la utilización de cromo. De esta manera se reduce el impacto medioambiental y los riesgos de salud laboral.  Anodizado sulfo-bórico, anodizado fosfórico, etc. E = espesor de la película anódica A = aumento dimensional P = espesor de metal base que se pierde al anodizar Superficie después del anodizado Superficie de metal base antes de anodizar Interfase metal basepelícula anódica Figura 7. Resultado final tras el proceso de anodizado Tratamientos Químicos en la Industria Aeronáutica 32 En la Figura 8 y Figura 9 se expone el proceso a seguir antes y después de los tratamientos de anodizado explicados anteriormente. - Pasivado. El pasivado, realizado únicamente sobre piezas de acero y sus aleaciones, es un tratamiento que, sin alterar las dimensiones de las piezas, aumenta su resistencia a la corrosión. Se realiza después de las operaciones de mecanizado, conformado, soldadura (excepto soldadura por puntos), tratamiento térmico y chorreado. La limpieza total de las piezas y su decapado, si procede, son requisitos previos al pasivado. Las piezas deben ser completamente sumergidas en los baños para prevenir ataques locales. Se distinguen dos tipos de pasivado en función del tipo de reactantre utilizado:  Tipo I. Pasivado en baño de ácido nítrico.  Tipo II. Pasivado en baño de ácido nítrico con dicromato y tratamiento suplementario de dicromato sódico. - Fosfatado de acero. Aplicado en piezas de acero de baja aleación. El fosfatado consiste en provocar sobre la superficie de los aceros la formación de una película fina de fosfatos estables, no solubles en agua. En general las películas de fosfatos proporcionan una suave protección contra la corrosión, pero son una excelente base para la fijación de los recubrimientos orgánicos (pinturas) y mejoran considerablemente las características de rozamiento de las superficies sobre las que se aplica. - Cadmiado. Tratamiento electrolítico catódico que emplea un electrolito alcalino cianurado. En este, las piezas montadas en sus soportes, se fijan en la barra catódica de la cuba electrolítica y los ánodos están formados por bolas de cadmio, sumergidos en el electrolito. Los recubrimientos de cadmio se aplican para proteger al metal base contra la corrosión ambiental, así como, para disminuir los pares galvánicos entre metales. Debido a la baja resistencia de contacto del cadmio, también se emplea extensamente en aplicaciones eléctricas. La electrodeposición del cadmio sobre aceros al carbono de baja aleación y sobre las aleaciones de cobre, se efectúa directamente sobre el metal base, sin ningún recubrimiento intermedio. Sobre aceros inoxidables y refractarios y sobre aleaciones de base níquel y cobalto, aplicando previamente un flash de níquel. Sobre las aleaciones de aluminio y de magnesio hay que depositar previamente una película de cinc químico. Tratamientos Químicos en la Industria Aeronáutica 33 DESENGRASE LIMPIEZA MECÁNICA PULIDO PREVENCIÓN DE LA FATIGA ENMASCARADO MONTAJE EN SOPORTES PREPARACIÓN DE SUPERFICIES PREPARACIÓN DE SUPERFICIES ENJUAGUE ANODIZADO TARTÁRICO SULFÚRICO ENJUAGUE SECADO POSTRATAMIENTO Piezas rechazadas INSPECCIÓN SECADO INSPECCIÓN PINTURA Piezas rechazadas Figura 8. Diagrama del proceso de anodizado tartárico-sulfúrico Fresado Químico 40 El espesor del enmascarante oscila normalmente entre los 0,2 y 0,4 mm, pero se llegan a usar para aplicaciones más complejas espesores de hasta 0.025 y 0.075 mm. Aplicado correctamente sobre la superficie limpia de la pieza, el enmascaramiento curado porporciona valores de adhesión al pelado que oscilan desde 7 a 36 g/mm de ancho y una fuerza de tensión de al menos 4000 KPa. Si fuera necesario una mayor adherencia del enmascarante se debe aumentar el espesor, lo que dificulta el pelado. A su vez, unos valores de adhesión más bajos aumentan la probabilidad de fallo en el borde del trazado, ya sea durante su manipulación o durante el fresado químico. Los productos de enmascarados están en continuo desarrollo, lo que permite disponer en la actualidad de productos de gran calidad. Las instrucciones proporcionadas por los fabricantes ofrecen información sobre las funciones del enmascarante, sus aplicaciones y sus propiedades. Dichos fabricantes proporcionan a sus clientes también el apoyo necesario sobre su producto e información actualizada sobre la industria del fresado químico. 3) Trazado y pelado. Limpieza Previa Enmascarado Trazado y pelado Fresado químico Desoxidado Limpieza final Desenmascarado Repaso aristas Normalmente se emplean plantillas diseñadas expresamente para este fin, PLFQ, las cuales se fijan a la pieza por medio de taladros, útiles o pinzas de presión, de manera que se garantice siempre la correcta colocación de la plantilla sobre la pieza. Figura 13. Piezas enmascaradas Fresado Químico 41 El corte debe realizarse cuidadosamente utilizando cuchillas, láser o cualquier otra herramienta capaz de producir un corte limpio, continuo y perpendicular a la superficie de la pieza sin dañar el metal base. Si el fresado químico debe realizarse a distintas profundidades de corte, en una misma operación pueden trazarse todos los escalones, marcándose sobre cada escalón el número de orden en que deberá realizarse su pelado. El primer escalón será, evidentemente, el que requiera una mayor profundidad de fresado. Para que no se produzcan daños en los trazados posteriores al que se esta realizando, estos se cubren con un revestimiento, el cual no dificulta el pelado manual. Tras llevar a cabo el trazado de todas las áreas a fresar se procede a la eliminación del enmascarante en las zonas donde se pretende atacar a la pieza. Se elimina el masking del escalón que se vaya a fresar, teniendo cuidado de no dañar el resto del enmascarante. Obviamente, la primera zona que se retira es la de mayor profundidad. Tras el pelado de las zonas de ataque, se eliminan los residuos de enmascarante por medios mecánicos o químicos, asegurándose de que los medios químicos que se empleen no afecten al fresado químico de la pieza. Figura 14. Útil de trazado de la empresa colaboradora. Fresado Químico 42 Si se observan daños en el masking, este puede repasarse mediante brochas o rotuladores especiales con el producto enmascarante. Figura 15. Plantillas empleadas para el trazado de las áreas a fresar Fresado Químico 43 Figura 16. Piezas tras trazado, pelado y repaso de las mismas Fresado Químico 44 4) Fresado químico. Limpieza Previa Enmascarado Trazado y pelado Fresado químico Desoxidado Limpieza final Desenmascarado Repaso aristas El proceso de grabado se realiza típicamente por inmersión de la pieza en el tanque de fresado en función de lo establecido en el plano o en la documentación aplicable, manteniendo las concentraciones y las condiciones que se especifiquen en la norma aplicable. Estas piezas están sujetas mediante alambres, muelles o abrazaderas a un bastidor de carga con el cual se las saca e introduce en el tanque. El espesor de la pieza debe ser comprobado cuando haya transcurrido el 80% de del tiempo estimado para el fresado total de la pieza o el primer escalón y continuar atacando hasta conseguir el espesor deseado. Si el espesor obtenido en la comprobación que debe llevarse a cabo tras transcurrir el 80% del tiempo esperado del fresado no es el esperado hay que recalcular el factor de ataque del baño. Una vez obtenida la profundidad de fresado deseada se enjuaga la pieza, preferiblemente con duchas, hasta conseguir eliminar todo resto de disolución de ataque. Tras esto se reparan los defectos que aparezcan en la zona fresada o en la máscara y se puede proceder al fresado del siguiente escalón. La reacción que provoca el fresado químico en la superficie de las piezas genera gases, por lo que si este se lleva a cabo mediante inmersión, las piezas deben colocarse de forma que se evite el atrapamiento de dichos gases. El rápido flujo de líquidos provocado por el movimiento de los gases puede provocar patrones de fresado desiguales en los bordes de las áreas atacadas. Las características de este proceso pueden ser minimizadas con el control de las piezas durante el fresado cambiando su posición de forma intermitente. La rotación es una práctica común en el fresado químico de piezas de aluminio cilíndricas y cónicas. Los disolventes empleados en este tratamiento son mezclas químicas industriales estándar y aditivos especiales, como agentes humectantes. Aunque cada disolvente puede variar en función de la Figura 17. Pasos en escalones de un fresado químico Aplicación de máscara y trazado Primer escalón de fresado químico Reaplicación y trazado de máscara Segundo escalón del fresado químico Metal base Máscara Fresado Químico 45 aleación y del tratamiento térmico llevado a cabo sobre la pieza, los principios de selección y control son los mismos para cada uno. Los principales objetivos técnicos en el desarrollo de disolventes, seguidos por sus consideraciones prácticas son:  Buen acabado de la superficie  Buena uniformidad en la eliminación del metal  Control de la selectividad y el ataque intergranular  Para aleaciones de titanio, control de la absorción de hidrógeno  Seguridad del personal  Coste y fiabilidad de los materiales de los baños del proceso  Problemas de calidad de aire  Bajo coste químico del disolvente por unidad de peso  Capacidad de regenerar la solución de ataque y/o neutralizar y eliminar los productos de deshecho Según la norma de fresado químico de uno de los principales fabricantes del sector se lleva a cabo una distinción de las disoluciones en dos Tipos, Tipo I y Tipo II, en función del factor de ataque y el rango de temperaturas de funcionamiento, que cumplen con los objetivos técnicos y consideraciones prácticas mencionados con anterioridad. Estas dos configuraciones se recogen en la Tabla 2 y Tabla 3. Tabla 2. Disolución de ataque para el fresado químico Tipo I. PRODUCTO CONCENTRACIÓN TEMPERATURA (ºC) FACTOR DE ATAQUE (mm/hora/cara) MATERIAL DE ATAQUE DE PREPARACIÓN (g/l) DE TRABAJO (g/l) Hidróxido sódico 100 90 - 140 88 - 100 0.6 - 3 Acero inoxidable Sulfuro sódico 8 6 - 10 Al (disuelto) 20 20 - 80 Agua Resto Fresado Químico 46 Tabla 3. Disolución de ataque para fresado químico Tipo II. PRODUCTO CONCENTRACIÓN TEMPERATURA (ºC) FACTOR DE ATAQUE (mm/hora/cara) MATERIAL DE ATAQUE DE PREPARACIÓN (g/l) DE TRABAJO (g/l) Hidróxido sódico 150 120 - 195 91 - 107 1.8 - 3 Acero inoxidable Sulfuro sódico 14 11 - 26 TEA 45 30 - 60 Al (disuelto) 22 19 - 75 Agua Resto 5) Desoxidado. Limpieza Previa Enmascarado Trazado y pelado Fresado químico Desoxidado Limpieza final Desenmascarado Repaso aristas Una vez finalizado el fresado o cuando las piezas estén fuera de la disolución de ataque durante más de 15 minutos, deberá eliminarse el óxido producido como consecuencia del ataque, utilizando para ello uno de los baños de desoxidado indicados en la Tabla 4. La función de esta etapa consiste en homogeneizar el espesor de oxidación de la pieza. PRODUCTO CONCENTRACIÓN TIEMPO (minutos) MATERIAL DEL TANQUE DE PREPARACIÓN (g/l) DE TRABAJO (g/l) Turco Smut GO-NC- B (Z-23321) 225 – 275 g/l 1 – 10 Acero inoxidable o material resistente a ácidos. No usar vidrio ni fibra de vidrio Cobre < 0.5 g/l 10 – 50 Agua Clase A Resto Ácido nítrico 40-42º Be 50% Volumen ambiente 1 - 3 Hierro forrado de PVC, polietileno o polipropileno Tabla 4. Baños de desoxidado Fresado Químico 47 Si las piezas se tratan con fresado químico Tipo II, deben desoxidarse con la siguiente frecuencia: Tabla 5. Desoxidado con fresado químico Tipo II. Profundidad de corte (mm): Nº de veces desoxidado: Hasta 1,27 Ninguna 1,28-2,54 1 vez a la mitad del proceso 2,55-6,35 2 veces, a 1/3 y 2/3 de la mitad del proceso 6) Limpieza final. Limpieza Previa Enmascarado Trazado y pelado Fresado químico Desoxidado Limpieza final Desenmascarado Repaso aristas Cuando se haya eliminado el óxido de la superficie, hay que enjuagar las piezas, preferiblemente con duchas, hasta conseguir eliminar todo resto de disolución de atque. Posteriormente podrá realizarse un segundo enjuague en agua caliente desionizada para facilitar el secado de las piezas. Tras este último enjuague deber realizarse una prueba de rotura de película de agua para comprobar que la limpieza es adecuada. El secado de la pieza tras el enjuague final se puede llevar a cabo de forma natural o artificial, dependiendo del tiempo que vaya a transcurrir entre esta etapa y la siguiente. Si se lleva a cabo un secado artificial, este es realizado con aire comprimido seco a 70ºC y sin residuos de aceites para evitar marcas de agua en la superficie de la pieza. La duración de este secado se encuentra entre 1-3 minutos en función del espesor de la pieza. 7) Desenmascarado. Limpieza Previa Enmascarado Trazado y pelado Fresado químico Desoxidado Limpieza final Desenmascarado Repaso aristas Tras pasar las piezas por las distintas etapas en baños, el enmascarante protector debe ser eliminado. Si el material de las piezas es acero inoxidable, estas deben ser pasivadas antes de eliminar Fresado Químico 48 el enmascarante. Se realizan otros tratamientos en función del metal del que está compuesto la pieza y de los requerimientos del cliente. Al finalizarse todo estos pasos se retira el enmascarante a mano, aunque en algunas ocasiones se elimina por desengrase por vapor u otro tratamiento con solvente. Tras retirar la máscara se comprueba el espesor de la pieza, debiendo repetir el proceso completo si no se ha llegado a la profundidad de fresado deseada. 8) Repaso de aristas. Limpieza Previa Enmascarado Trazado y pelado Fresado químico Desoxidado Limpieza final Desenmascarado Repaso aristas Las aristas vivas producidas por el fresado químico deben ser redondeadas manualmente, empleando las herramientas adecuadas de forma que se obtenga un radio de aproximadamente 0,1 mm. Se busca en este último paso ajustar aún más las tolerancias dimensionales. De este tratamiento de fresado químico quedan excluidas las piezas plaqueadas, a menos que esté aprobado previamente por el ingeniero de revisión de materiales. Como se comentó al inicio del apartado, el enjuague y el secado son procesos que se llevan a cabo tras cada una de las etapas del tratamiento de fresado químico. Dicho enjuague se lleva a cabo en un baño contigüo al de la etapa anterior o mediante nebulización en un baño vacío, y tiene como objetivo eliminar la mayor parte de los productos de la etapa anterior que pueda contener la pieza y que pueden dañar el baño de la siguiente etapa. Tras el fresado químico de la pieza, por ejemplo, algunas empresas llevan a cabo un enjuague de la pieza por ambos métodos: primero se lleva a cabo una nebulización en un baño vacío y a continuación se enjuaga en un baño contigüo al de fresado químico. Esto se realiza debido a que la cantidad de productos corrosivos que contiene aún la pieza recién salida del baño de fresado es tan elevada que puede reducir sustancialmente la vida útil del baño de enjuague. Esta es la misma razón por la que se lleva a cabo un enjuague previo a cada etapa del tratamiento de fresado químico. Fresado Químico 49 Tras la realización de todas las etapas del tratamiento de fresado químico, el resultado final obtenido se puede observar en la Figura 18. 4.3 Control y especificaciones Características importantes del tratamiento de fresado químico sobre una pieza, como la rugosidad de la superficie o la cantidad de hidrógeno absorbido en el proceso, dependen tanto del metal base de la pieza como de la disolución de ataque. El reactivo de ataque óptimo para diferentes piezas hechas de la misma aleación puede variar, por lo tanto, debido a los factores que influyen en la estructura de grano: condiciones del Figura 18. Resultado final de dos piezas tras un tratamiento de fresado químico Fresado Químico 56 más crítico en piezas de poco espesor, sobre todo en piezas delgadas que deben ser fresadas por ambas caras. 4.5 Aplicaciones Existen diferentes aplicaciones para el fresado químico, aunque es utilizado principalmente en la industria aeronáutica para la reducción de peso, ya sea de grandes piezas, paneles o piezas de extrusión o forja. Su elección como proceso se centra en la capacidad de producir cavidades superficiales de espesores variables manteniendo a su vez costillas interiores. Principalmente sustituye al fresado mecánico en aquellos casos en los que sería más costoso mecanizar la pieza ya sea por su tamaño o por la difícil accesibilidad a determinados puntos de las piezas. Es una operación realizada normalmente por empresas subcontratadas especializadas en el proceso. Pese a que se puede emplear en múltiples materiales metálicos, las aleaciones de aluminio son las más propensas a ser tratadas de esta forma. Además de la reducción de peso, puede utilizarse para impresión de circuitos electrónicos, impresión de placas, realización de paneles decorativos, conformado de piezas complejas como estructuras de panel de abeja, cavidades escalonadas o contornos irregulares. Así como para eliminar la capa de fase alfa del titanio, generada en las operaciones de forja y conformado superplástico, eliminar la capa descarburizada de las aleaciones de acero en forja, eliminar de una superficie fina de forja o moldeo antes de realizar una inspección por penetración debajo de la superficie. También sirve para eliminar la capa de “recast” de las piezas mecanizadas por EDM 3 y para eliminar la rebaba de las operaciones de mecanizado convencional en formas complejas. 4.6 Ventajas e inconvenientes del proceso El proceso explicado hasta ahora presenta una serie de ventajas e inconvenientes que promueven o limitan su empleo a nivel industrial, en función de las necesidades de producción. Las principales ventajas que presenta el fresado químico son las siguientes:  La eliminación de metal está completamente libre de tensiones residuales.  Formas complejas y áreas profundas pueden ser fresadas químicamente de manera uniforme.  El empleo del fresado químico después de la formación de la pieza a menudo permite un método de formación más simple.  Secciones extremadamente delgadas pueden ser fresadas químicamente.  La dureza y la fragilidad del metal no son factores.  Las dimensiones de la pieza están limitadas únicamente por el tamaño de los baños de fresado. 3 Mecanizado por Descarga Eléctrica, en inglés Electrical Discharge Machining Fresado Químico 57  Secciones cónicas pueden fresarse químicamente.  La mayoría de aleaciones y formas pueden ser fresadas mediante este proceso.  Acabados superficiales finos son producidos en una gran cantidad de aleaciones.  Pueden alcanzarse tolerancias extremadamente pequeñas, independientemente de la variación inicial de espesor, a través de métodos de dimensionamiento químico.  El coste de las herramientas y el mantenimiento correspondiente de las mismas es bajo.  Cambios de diseño pueden ser aplicados rápidamente realizando modificaciones en los patrones utilizados en el trazado.  Los recortes y la periferia de las partes difíciles de mecanizar se pueden recortar en bruto grabándolos en el meal a un costo adicional mínimo. Los principales inconvenientes del proceso son los siguientes:  La curvatura del radio es aproximadamente igual a la profundidad de corte.  Profundidades de corte extremadamente grandes no son económicas.  Se requiere una estructura metálica homogénea obtener buenos resultados.  La textura de la superficie de una pieza fresada químicamente depende en gran medida de la estructura de grano del metal.  Soldaduras y fundiciones producen a menudo superficies picadas al ser fresadas químicamente.  Los costes del proceso dependen de la calidad de la pieza trabajada (variación de espesor, presencia de arañazos superficiales y corrosión).  La superficie puede resultar algo dañada por el proceso, por lo que es requerido un pulido mecánico.  Tolerancias laterales más cercanas de ±0,8 mm son a menudo difíciles de alcanzar.  No es práctico hacer surcos de ancho inferior al doble de la profundidad.  Aleaciones alfa-beta de titanio a menudo requieren disolventes especiales para limitar el hidrógeno absorbido. Aleaciones con fase beta son extremadamente difíciles de controlar.  Necesidad de verificar el correcto control del proceso aumenta el coste.  Los productos químicos peligrosos empleados en el proceso presentan problemas de seguridad, eliminación de residuos y contaminación atmosférica. 58 5 VARIABLES A TENER EN CUENTA EN EL CÁLCULO DEL COSTE En el presente capítulo se llevará a cabo una recopilación de las distintas variables a tener en cuenta a la hora del cálculo del coste asociado al fresado químico de una pieza aeronáutica, así como un desglose de los diferentes factores que afectarán directa o indirectamente al precio de la pieza tratada. Lo primero que ha de tenerse en cuenta es que, a diferencia de otros procedimientos industriales como el tratamiento térmico o el anodizado, los cuales dependen únicamente del área de la pieza, el proceso de fresado químico presenta una gran dependencia de la tipología de la pieza, siendo afectado por un gran número de variables. Todas esas variables han sido tenidas en cuenta en el desarrollo de la fórmula para conseguir un coste del fresado químico de la pieza lo más ajustado posible. Dichas variables son:  Superficie de la pieza. Cuanto mayor sea la superficie de la pieza mayor será el producto enmascarante a aplicar, más difícil de manejar y más espacio ocupara en los bastidores de carga de los baños.  Área a fresar. Un área grande a fresar implica una cantidad de aluminio aportado al baño grande y un mayor tiempo de trazado y pelado de la máscara.  Espesor de fresado. Un espesor elevado provocará una mayor aportación de aluminio al baño de fresado.  Número de áreas a fresar. Una pieza que posea un elevado número de piscinas a fresar implicará un mayor tiempo de trazado y pelado.  Morfología del área a fresar. Al igual que el caso anterior, la complejidad de la forma del área a fresar puede aumentar el tiempo que emplea el operario encargado de la operación en trazar y pelar las piscinas.  Coste horario. Esta variable está ligada exclusivamente a la política de costes de la empresa, ya que estará definida en función de sus costes internos. La presencia de tantas variables dificulta en gran medida el cálculo del coste asociado al tratamiento de fresado químico, ya que hay que tener en cuenta la gran casuística existente. Por ejemplo, pueden tenerse dos piezas con el mismo número de piscinas a fresar, pero con espesores de ataque muy diferentes, o con el mismo número de áreas a fresar pero con un tamaño de piscinas distinto, haciendo que el área a fresar de una sea inferior a la otra, etc. Todo esto da lugar a que un pequeño cambio en una variable proporciona costes bien distintos. Por esta razón se hace necesario el desarrollo de un procedimiento de cálculo que tenga en cuenta el mayor número de casos posibles. Variables a Tener en Cuenta en el Cálculo del Coste 59 A continuación se explica someramente la sistemática conceptual utilizada atendiendo a la estructura de costes elegida. De primeras, conviene recordar que un coste es la suma de los gastos necesarios para obtener un trabajo/servicio (consumo). Es decir, si se proyecta aquella parte del gasto consumido para la obtención de un servicio o un producto ese es el coste del servicio o producto. Por otra parte, atendiendo a la estructura de costes elegida, aquella que tiene en cuenta el objeto de su imputación, pueden distinguirse entre costes directos y costes no directos. A. Costes directos. Estos costes se asocian con el producto de una forma muy clara, sin necesidad de ningún tipo de reparto. Se producen cuando las empresas establecen mecanismos de control para conocer con exactitud la cantidad de coste que va al producto, servicio o sección. Dentro de estos, los más habituales son: - a.1. Coste de Materias Primas: son los costes de los materiales que se han consumido para fabricar el producto. Pueden extraerse directamente de la naturaleza o haber sido elaborados previamente por otra empresa. - a.2. Coste de Mano de Obra Directa (MOD): es el coste del tiempo incurrido por las personas relacionadas directamente con el producto debido a que se encargan de su elaboración. Las horas empleadas en el producto podemos medirlas a través de partes de trabajo o tarjetas de tiempos. B. Costes no directos. Aunque la mayoría de los autores emplean de forma generalizada el concepto de "indirecto", los costes no directos se pueden dividir en: - Semidirectos: son aquellos que no pueden ser aplicados directamente a un producto, pero sí pueden llevarse directamente a un centro de coste. - Indirectos: no son directos al producto ni tampoco al centro. Son comunes a dos o más productos o centros, por lo que deberemos elegir algún criterio de reparto. En este trabajo se analizan con detenimiento los costes directos del proceso de fresado químico, estudiando el consumo de materiales, consumibles, mano de obra, etc. Los costes no directos se encuentran implícitos en el coste horario proporcionado por la empresa, por lo que no era parte del problema planteado, y no ha sido por tanto necesario abordar su estudio detallado. Basta decir aquí que a los costes salariales, incluyendo los correspondientes impuestos de seguros sociales, la empresa sumo la totalidad de costes indirectos en los que se incurre en un año promedio (vestuario, seguros, alquileres, PRL, EPIs, parte del consumo energético, costes de representación, servicios de limpieza, servicios informáticos, mano de obra indirecta, etc), y los dividió entre el número total de horas. Por tanto, el coste horario fue un dato dado por la empresa y el presente trabajo consistió entonces en el análisis paso a paso de los costes directos relacionados con el fresado químico de aleaciones de aluminio. Variables a Tener en Cuenta en el Cálculo del Coste 60 Para el presente trabajo se han considerado, entre otros, los siguientes costes directos:  Mano de obra. El coste de la mano de obra, como ya se ha comentado, es un dato proporcionado por la empresa, por lo que en este sentido el trabajo se ha limitado a analizar y cuantificar los tiempos de mano de obra directa necesarios para realizar las operaciones.  Productos químicos para la formación y recargas de baños. Es un aspecto fundamental ya que representa en este caso un porcentaje importante del coste de este proceso.  Consumo energético. Se centra el trabajo en el consumo del gasoil al ser, con bastante diferencia, el mayor consumo energético a tener en cuenta en este proceso.  Productos químicos para el enmascaramiento de las piezas. Se hace mención aparte de los productos químicos anteriores debido a su elevado coste en el proceso de fresado químico.  Materia prima. Sería lo normal en cualquier apartado de costes directos. Sin embargo, no se imputa en este caso porque en la sección de fresado químico la materia prima no es un coste, sino que fue un coste ya contabilizado en una sección anterior del proceso de fabricación. Para incluir este coste en la expresión de la fórmula que se derivará para el fresado químico, habría que partir del coste del producto semielaborado, como la materia prima de la sección de fresado químico, hasta la fase de entrada en la sección de fresado químico, y sumar a este coste los distintos costes directos incurridos en esta sección. De esto modo a la salida de la sección de fresado químico tendríamos el coste del producto semielaborado y por diferencia con el coste del producto semielaborado de entrada, tendríamos el coste de la operación de fresado químico. Haber operado así no supondría ninguna dificultad conceptual, pero no ha sido el problema planteado y por tanto se optó por partir de una materia prima de valor cero en esta sección. Atendiendo a la estructura de costes elegida se distinguirán entre costes directos, costes indirectos y costes semidirectos. A continuación se desglosarán los costes tenidos en cuenta para el desarrollo del procedimiento de cálculo en función de la estructura mencionada anteriormente.  Costes indirectos - Ensayos y análisis químicos en laboratorios externos - Mantenimiento periódico preventivo de la zona de los baños - Una larga lista de costes indirectos de la empresa que se han imputado a este proceso, entre ellos: alquileres, seguros, Prevención de Riesgos Laborales, asesorías, Equipos de Protección Individual, servicios informáticos, servicios de limpieza, etc. Variables a Tener en Cuenta en el Cálculo del Coste 61  Semidirectos - Luz - Agua - Etc  Directos - Mano de obra. El coste de la mano de obra se calculará en base del coste horario proporcionado por la empresa. - Productos químicos para la formación y recargas de baños - Productos químicos para el enmascaramiento de las piezas - Materia prima (Sin embargo, no se imputa en esta sección porque se tiene en cuenta en procesos anteriores al fresado químico) 62 6 DESARROLLO DEL MÉTODO DE CÁLCULO DEL COSTE DEL TRATAMIENTO DE PIEZAS ALUMINIO FRESADAS QUÍMICAMENTE 6.1 Desglose de los costes asociados al fresado químico A continuación se llevará a cabo una representación de las distintas etapas del tratamiento de fresado químico de piezas de aleaciones aluminio y los costes asociados a dichas etapas: LIMPIEZA PREVIA C1: Coste asociado a la mano de obra encargada de la limpieza previa C2: Coste asociado a productos químicos de limpieza ENMASCARAMIENTO C3: Coste asociado al producto químico de enmascaramiento C4: Coste asociado a la mano de obra encargada de aplicar la máscara TRAZADO C5: Coste asociado al trazado del área a fresar de la pieza PELADO C6: Coste asociado al pelado del área a fresar REPASO C7: Coste asociado al repaso y protección del enmascarante FRESADO QUÍMICO C8: Coste asociado al aporte de aluminio al baño C9: Coste asociado a la mano de obra encargada del fresado químico DESOXIDADO POSTERIOR C10: Coste asociado a los productos químicos del baño de desoxidado C11: Coste de la mano de obra encargada del baño de desoxidado PELADO COMPLETO C12: Coste asociado al pelado completo de la pieza ENSAYOS C13: Coste de los ensayos a realizar sobre los baños implicados en el proceso DOCUMENTACIÓN C14: Coste de la documentación a formalizar del proceso Figura 24. Desglose de los costes asociados al tratamiento de fresado químico 63 En la Figura 24, representada en la página anterior, se observa el desglose de costes que se ha realizado a partir de los distintos procesos que se llevan a cabo durante el tratamiento de fresado químico de piezas de aleaciones de aluminio. A partir de dichos costes se llevará a cabo el objeto del presente proyecto, el desarrollo de un método de cálculo del coste asociado al fresado químico de una pieza aeronáutica. En el presente capítulo se analizará cada uno de los costes representados en la Figura 24 por separado, para a continuación conseguir una fórmula que los englobe todos. Dicha fórmula tendrá la siguiente estructura: Coste Total = Coste Total (Área de la pieza, Área fresada, Longitud de trazado, Espesor de fresado químico, Coste horario) = ∑ Ci 14 i ( 1 ) Cabe destacar que la fórmula anterior es una fórmula general, puesto que en el presente proyecto el “Coste horario” no es una variable, ha sido proporcionado por la empresa colaboradora donde se llevaron a cabo las prácticas. Aunque la fórmula final obtenida esté referida específicamente a piezas de aleaciones de aluminio fresadas químicamente, el método seguido para la evaluación de los costes asociados al tratamiento será el mismo independientemente del material base de las piezas que vayan a ser tratadas. A continuación se procederá a analizar cada uno de los costes obtenidos a partir de los procesos realizados durante el tratamiento de fresado químico. 6.2 Costes asociados a la limpieza previa Como ya se comentó en el Capítulo 4, la limpieza previa al enmascarado engloba un conjunto de tratamientos que deben realizarse sobre la pieza antes de que sobre esta sea aplicada la máscara, con el fin de evitar que durante el fresado químico esta se despegue o se mueva, provocando daños irreversibles en la pieza. Para analizar los costes asociados al primer paso del tratamiento de fresado químico, la empresa colaboradora proporcionó la norma de uno de los principales fabricantes del sector, a partir de la cual se han obtenido la duración de cada una de las etapas de limpieza previa a realizar y los productos que pueden emplearse. De dicha norma se obtiene la Tabla 6, la cual contiene cada una de las etapas que componen la limpieza previa de una pieza que va a ser sometida a un tratamiento de fresado químico. Contiene también los tiempos más desfavorables de cada uno de las etapas mencionadas, lo que ayudará más adelante a obtener el coste del caso más desfavorable. Tabla 6. Etapas que componen la limpieza previa de una pieza. Procedimientos Tiempo (min) Desengrase alcalino 10 Enjuague 3 Limpieza alcalina 15 64 Procedimientos Tiempo (min) Enjuague 3 Prueba rotura película de agua 2 Decapado ácido 10 Enjuague 3 Prueba rotura película de agua 2 TOTAL 48 Para obtener el C1: Coste asociado a la mano de obra encargada de la limpieza previa mencionado en la Figura 24 se ha empleado la Tabla 6, de la que se ha calculado el tiempo total empleado en la limpieza previa de la pieza. Teniendo en cuenta de que se trata de una secuencia de etapas ininterrumpida, y tomando los valores temporales más desfavorables en cada una de dichas etapas, se obtuvo una duración máxima de 48 minutos. Una vez conocido el tiempo total empleado en los procedimientos de limpieza, se procedió a buscar la forma para imputar eficazmente dicho tiempo en el coste de la pieza de estudio únicamente, dado que en esos 48 minutos se lleva a cabo de forma simultánea la limpieza de todas las piezas que componen la carga. Esto se llevó a cabo a partir del porcentaje de superficie que la pieza tratada ocupa en el bastidor de carga empleado para sumergir la pieza en los baños de limpieza. Teniendo en cuenta que la limpieza es llevada a cabo en ambas caras, se consideraron también las dos caras del bastidor de carga. Figura 25 . Bastidor de carga de la empresa colaboradora. 65 La definición del área del bastidor de carga llevada a cabo se representa en la Figura 26. Se definió como área útil del bastidor aquella conformada por sus dos caras. Al ser definida de esta manera se hizo necesario tener en cuenta otra magnitud, la cual es proporcionada en los planos de las piezas: la altura de la pieza proyectada sobre el bastidor de carga. Por lo tanto, el área que una pieza ocupa en el bastidor de carga será función del ancho de la pieza y de su altura proyectada sobre el mismo bastidor. En la Figura 27 se muestra un ejemplo de área de bastidor de carga ocupada por una pieza curvada. Figura 26. Área útil total del bastidor de carga An H Donde: H es la altura de la pieza proyectada sobre el bastidor de carga. An es el ancho de la pieza. Figura 27. Área ocupada por la pieza en el bastidor de carga 72  ρmascarante es la densidad del Masking D (1,54 kg/l) Por lo tanto, para calcular C3 basta con conocer la cantidad total de enmascarante que es empleado para imprimar una pieza, que es la suma de la cantidad de producto que ha llegado a la pieza más las pérdidas, y el precio de un bidón de Masking D, que proporcionó la empresa colaboradora (1432 €). 𝑪𝟑=[𝟐∗𝑨[𝒎𝟐]∗𝒆𝒎𝒂𝒔𝒌𝒊𝒏𝒈[𝒎]∗𝟏𝟎𝟎𝟎[𝒍 𝒎𝟑]∗ 𝟏 𝟎,𝟐𝟏𝟓+𝟎,𝟐𝟗𝟓[𝒍 𝒎𝟐]∗𝟐∗𝑨[𝒎𝟐]]∗𝟏.𝟒𝟑𝟐 𝟐𝟎𝟎[€𝒍] ( 11 ) Asociado al proceso de enmascaramiento de la pieza, a parte del coste debido al producto químico empleado, también se distingue otro coste ligado a la mano de obra encargada de la realización de dicho proceso. Calculando el tiempo que le dedican los operarios a cada una de las tareas en las que se divide este proceso puede definirse C4: Coste asociado a la mano de obra encargada de aplicar la máscara. Para ello, se llevó a cabo un estudio del proceso que llevan a cabo los operarios desde que reciben la pieza tras su limpieza previa hasta que las piezas son almacenadas antes de ser trazadas. El proceso de aplicación del Masking D, en la empresa colaboradora, se lleva a cabo de la siguiente manera: 1. Las piezas ya limpias y secas son trasladadas a la cabina donde se lleva a cabo la imprimación del enmascarante. 2. El operario cuelga la pieza en soprtes de forma que se mueva lo menos posible durante la aplicación del Masking D. 3. El operario agita y controla la viscosidad del producto previo a su aplicación. 4. Se aplica la máscara sobre la pieza mediante pistola aerográfica hasta que esta alcanza aproximadamente el espesor deseado (dicho espesor se define en función del espesor de ataque, aunque para el presente proyecto ha quedado definido como 300 μm). Esto no suele conseguirse en la primera aplicación del producto, por lo que el operario debe aplicar el enmascarante hasta alcanzar el espesor deseado. 5. Una vez conseguido el espesor determinado, se deja secar la máscara un mínimo de 16 horas. Si es necesario un curado acelerado, el secado puede realizarse mediante estufa a 90 ± 5ºC durante 1 hora o bien 60 ± 5ºC durante 3 horas, habiendo sufrido previamente un secado natural durante 30 minutos. 73 6. Una vez secada según lo estipulado en el punto anterior, el operario descuelga la pieza y se almacena antes de ser trazada. Conociendo el proceso anterior se controló el tiempo que dedicaba el operario en la mezcla de varios bidones por separado y se llevó a cabo la media, obteniendo un tiempo medio de mezcla de 10 minutos. El tiempo de cuelgue y descuelgue de las piezas fue proporcionada por la empresa colaboradora, la cual estimó que el tiempo total era de 6 min/m2 de pieza. Para calcular el tiempo dedicado a la aplicación del enmascarante se tomó nota del tiempo que dedicaba el operario en la imprimación de varias piezas y se anotaron sus números de identificación para poder observar más tarde sus dimensiones en los planos. A partir de los tiempos obtenidos y conociendo las dimensiones de cada pieza gracias a sus planos se determinó, para cada pieza por separado, el tiempo que tardaba en imprimarse un m2 de la pieza con el enmascarante. Para usar un tiempo de referencia se realizó la media de los resultados, obteniendo un tiempo de aplicación del enmascarante de 15 min/m2. No es necesario tener en cuenta el tiempo de secado de la pieza en el cálculo de C4 ya que el operario encargado, durante el proceso de secado, está ocupado en otras labores. Figura 29. Piezas colgadas por el operario para la imprimación del enmascarante. 74 Por lo tanto, para calcular C4 en una pieza con unas dimensiones 𝑎∗𝑏 cualesquiera, se empleará la siguiente expresión: 𝑪𝟒[€]=𝑪𝑯 [€𝒉] 𝟔𝟎 [𝒎𝒊𝒏 𝒉]∗(𝟏𝟎[𝒎𝒊𝒏]+(𝟔[𝒎𝒊𝒏 𝒎𝟐]∗ 𝑨 [𝒎𝟐])+(𝟏𝟓[𝒎𝒊𝒏 𝒎𝟐]∗ 𝑨 [𝒎𝟐])) ( 12 ) Donde:  El término 𝟔∗𝑨 hace referencia al tiempo que tarda el operario en colgar y descolgar la pieza estudiada en la cabina de imprimación.  El término 𝟏𝟓∗𝑨 hace referencia al tiempo de aplicación de la máscara sobre la pieza estudiada. 6.4 Coste asociado al trazado de la máscara Para analizar el coste que supone el trazado del área a fresar químicamente fue necesario controlar el tiempo que dedicaba el operario en dicha operación. Se ideó un método basado en los datos de tiempo de trazado por parte del operario que se obtuviese y el perímetro total trazado, calculado a partir de los planos de cada pieza, el cual tenía como finalidad definir un tiempo de trazado unificado. En el cálculo de este tiempo, la gran variedad de morfologías de áreas de fresado supone uno de los principales problemas, por lo que para la realización del estudio se empleó el mayor número de piezas diferentes posible. De los datos de tiempo recopilados y los perímetros totales calculados a partir de los planos de las piezas se obtuvieron la Tabla 10 y la Gráfica 1: Tabla 10. Tiempos de trazado y perímetros totales trazados. Nº Identificativo Perímetro Total (mm) Tiempo (min) 1 Part number Pieza 1 2.040,0 3 2 Part number Pieza 2 4.499,6 8 3 Part number Pieza 3 6.054,8 10 4 Part number Pieza 4 6.269,5 26 5 Part number Pieza 5 6.454,0 10 6 Part number Pieza 6 7.100,0 7 7 Part number Pieza 7 9.770,0 30 8 Part number Pieza 8 12.835,0 21 9 Part number Pieza 9 13.776,0 23 10 Part number Pieza 10 21.866,4 17 11 Part number Pieza 11 22.860,0 20 12 Part number Pieza 12 32.223,2 90 13 Part number Pieza 13 37.040,0 100 75 Nº Identificativo Perímetro Total (mm) Tiempo (min) 14 Part number Pieza 14 49.500,0 90 15 Part number Pieza 15 49.500,0 82 Figura 30. Velocidad de trazado de las piezas. Al representar la Gráfica 1 se observó la gran disparidad entre cada uno de los puntos, por lo que se recurrió al trazado de la recta de regresión y se analizó si el coeficiente de correlación de Pearson, R2, de esta era lo suficientemente alto para considerar aceptable la ecuación obtenida. Al ser R2 = 0,79 se dio por válida la recta de regresión mostrada en la Gráfica 1. 𝑌[𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠]=0,0021∗𝑋[𝑚𝑚]−2,5563 ( 13 ) Donde:  Y es el tiempo en minutos dedicado al trazado de las áreas a fresar de la pieza.  X es el perímetro total a trazar de la pieza en mm. Algunos comentarios finales sobre la disparidad de datos obtenidos. Como se ha visto anteriormente, se ha obtenido un cuadrado del coeficiente de correlación de Pearson, R2, de 0,79, algo lejos de 1 aunque el ajueste puede considerarse razonable a efectos de aproximación. El motivo de esta dispersión de puntos hay que buscarlo fundamentalmente en la morfología, que no sólo el perímetro, del área a trazar así como la forma de la superficie de trazado, el acceso a la misma y un último factor que se citará al final. Existen por tanto una gran y = 0.0021x - 2.5563 R² = 0.7901 0 20 40 60 80 100 120 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Tiempo (min) Perímetro Total Velocidad de trazado (mm/min) 76 cantidad de variables: perímetro, forma de la línea de trazado (fundamentalmente rectas, curvas, rectas y curvas, zonas redondeadas, angulosas, etc.), forma de la superficie de la pieza sobre la que se realiza el trazado (superficie plana, aproximadamente plana o curva), acceso al área de trazado (zona abierta para el trabajo de trazado del operario o por el contrario zona semi-cerrada como el interior de un borde de ataque). A todos estos factores hay que incluir el número de ataques. Obviamente un incremento en el número de ataques a realizar a la pieza en la operación de fresado químico, aumenta el perímetro a trazar pero no es menos cierto que también incrementa la complejidad del trazado, siendo necesario además, en esta operación, la identificación de las distintas áreas trazadas con el fin de indicar el orden de pelado posterior. Es por ello por lo que difícilmente en base a una sóla de esas variables, el perímetro del área a trazar en este caso, pudiese obtenerse un coeficiente de correlación mejor que el obtenido, con independencia de que la solución no parecía estar en el intento de un ajuste no lineal de los puntos. Pensar en tener en cuenta todos los factores anteriores para la obtención de un tiempo de trazado más fino no parece demasiado práctico y sería, en todo caso, motivo de un trabajo aparte en el que no habría que olvidar, además, la destreza y la experiencia del operario. En cualquier caso, el ajuste realizado se considera aceptable a los efectos de este trabajo y se ha comprobado que se ajustó razonablemente a un buen número de situaciones posteriores. Un último matiz respecto a los tiempos obtenidos. Los tiempos obtenidos no incluyen el tiempo de colocación de la PLFQ sobre la pieza. Estas plantillas han de cogerse a la pieza mediante los taladros de utillaje practicados a la pieza y a la propia plantilla con el fin de asegurar un correcto asentamiento de la plantilla a la pieza. Con independencia del tamaño de la plantilla, que son plantillas ligeras, se ha podido comprobar un tiempo de colocación y desmontaje posterior medio de la plantilla de 7 min, que habrá de ser sumado al valor del coste C5 para disponer del coste total de esta operación. De esta forma se obtuvo una ecuación con la cual, a partir del perímetro a trazar en la pieza de estudio, proporcionado en los planos de la pieza, puede conocerse el tiempo aproximado que dedicará el operario en el trazado de las áreas a fresar químicamente de la pieza. Para convertir ese tiempo en un coste es necesario únicamente multiplicar dicho tiempo por el coste horario de la empresa. Por lo que C5: Coste asociado al trazado del área a fresar de la pieza puede obtenerse de la siguiente manera: 𝑪𝟓=[(𝟎,𝟎𝟎𝟐𝟏∗𝑿−𝟐,𝟓𝟓𝟔𝟑)[𝒎𝒊𝒏]+𝟕[𝒎𝒊𝒏]]∗𝑪𝑯[€𝒉] 𝟔𝟎[𝒎𝒊𝒏 𝒉] ( 14 ) 6.5 Coste asociado al pelado de la máscara Para la evaluación del coste que supone la operación de pelado de la máscara del área a fresar químicamente se llevó a cabo la misma metodología que en la evaluación del coste anterior. Se controló el tiempo que dedicaba el operario en pelar las áreas a fresar químicamente de distintas piezas (las mismas piezas de la Tabla 10). A través de los planos de cada una de las piezas proporcionadas se calculó el perímetro total de 77 las superficies a fresar. Con ambos datos se realizaron la Tabla 11 y la Gráfica 2. Tabla 11. Tiempos de pelado y perímetros totales de superficies a pelar. Nº Identificación Perímetro Total (mm) Tiempo (min) 1 Part number Pieza 1 2.040,0 2 2 Part number Pieza 2 4.499,6 5 3 Part number Pieza 3 6.054,8 5 4 Part number Pieza 4 6.269,5 5 5 Part number Pieza 5 6.454,0 5 6 Part number Pieza 6 7.100,0 5 7 Part number Pieza 7 9.770,0 25 8 Part number Pieza 8 12.835,0 15 9 Part number Pieza 9 13.776,0 11 10 Part number Pieza 10 21.866,4 10 11 Part number Pieza 11 22.860,0 10 12 Part number Pieza 12 32.223,2 13 13 Part number Pieza 13 37.040,0 40 14 Part number Pieza 14 49.500,0 45 15 Part number Pieza 15 49.500,0 40 y = 0.0008x + 1.0528 R² = 0.6865 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 Tiempo (min) Perímetro Total (mm) Velocidad de pelado (mm/min) Figura 31.Velocidad de pelado de las piezas. 78 Igual que en el coste anterior, se observó que los puntos de la Gráfica 2 son muy dispares, por lo que se volvió a recurrir a la recta de regresión de la gráfica. En este caso se obtuvo un coeficiente R2 = 0,69, el cual fue considerado satisfactorio. 𝑌=0,0008∗𝑋+1,0528 ( 15 ) Donde:  Y es el tiempo en minutos dedicado al pelado del área a fresar químicamente.  X es el perímetro total en mm del área a fresar. Con esta ecuación se obtuvo una forma de calcular, a partir del perímetro total de las áreas a fresar, el cual es un dato sacado de los planos de las piezas, el tiempo que emplea el operario en pelar las áreas a fresar de la pieza. Multiplicando ese tiempo por el coste horario de la empresa se definió C6: Coste asociado al pelado del área a fresar con la siguiente expresión: 𝑪𝟔=(𝟎,𝟎𝟎𝟎𝟖∗𝑿+𝟏,𝟎𝟓𝟐𝟖)[𝒎𝒊𝒏]∗𝑪𝑯[€𝒉] 𝟔𝟎[𝒎𝒊𝒏 𝒉] ( 16 ) 6.6 Coste asociado al repaso de la máscara Como ya se explicó en mayor detalle en el Capítulo 4, el repaso es una operación en la cual se protegen las zonas de la máscara que han sido dañadas en las operaciones anteriores para evitar que la pieza sea fresada químicamente en zonas donde no lo requieran. Esta protección es aplicada mediante brocha o rotuladores especiales cuando las zonas dañadas son demasiado pequeñas. Una superficie de máscara arañada o picada pueden ser la causa de una picadura sobre el metal base una vez que la pieza se ha atacado químicamente. El proceso de aplicación por pistola aerográfica del masking tiene sus ventajas pero también sus inconvenientes. En ocasiones se forman burbujas de enmascarante sobre la superficie de la pieza que deben ser pinchadas, con el fin de extraer el aire contenido en su interior, y después reparadas con producto protector para sellar cualquier resto de apertura en la máscara. En otras ocasiones las burbujas ya han eclosionado y es necesaria una inspección superficial con el fin de detectar esos potenciales poros que posteriormente podrían originar defectos indeseables, incluso con consecuencias de inutilidad, sobre la pieza. Por tanto, se trata de una operación que requiere la revisión y, protección si procede, de la superficie que no ha de ser fresada. Efectivamente, a diferencia de los costes de trazado y pelado de áreas a fresar de la pieza, el coste de repasar no dependerá directamente del perímetro total de las superficies trazadas, ya que como se ha dicho antes 79 la protección se aplica sobre las zonas que no requieren fresado. Por lo tanto, se pensó que la variable de la que debía depender el coste del repaso era el área de la pieza que debía ser protegida, es decir, el área total de la pieza menos el área a fresar de esta. 𝐴𝑃=Á𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑖𝑒𝑧𝑎− Á𝑟𝑒𝑎 𝑎 𝑓𝑟𝑒𝑠𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑖𝑒𝑧𝑎 ( 17 ) El procedimiento a seguir fue el mismo que en los procesos de trazado y pelado de la pieza. Se controló el tiempo que dedicaba el operario en inspeccionar y reparar el enmascarante de distintas piezas (las mismas piezas de las tablas 10 y 11). En este caso, el cálculo del área a partir de los planos físicos es bastante más difícil, pues las formas de las áreas de fresado son muy diversas y a veces complejas para su cálculo manual. Por ello, se solicitó a la empresa colaboradora que proporcionase el área de cada una de las piezas anteriormente mencionadas, los cuales se representan en la Tabla 12 y la Grafica 3. Tabla 12. Tiempos de repaso y áreas de revisión de la pieza para analizar si es necesario o no repasar. Nº Identificación Área (m2) Tiempo (min) 1 Part number Pieza 1 0,589 5 2 Part number Pieza 2 0,826 15 3 Part number Pieza 3 0,638 10 4 Part number Pieza 4 0,653 15 5 Part number Pieza 5 0,721 15 6 Part number Pieza 6 0,692 15 7 Part number Pieza 7 7,125 50 8 Part number Pieza 8 0,677 15 9 Part number Pieza 9 2,158 17 10 Part number Pieza 10 2,376 14 11 Part number Pieza 11 5,988 40 12 Part number Pieza 12 6,213 45 13 Part number Pieza 13 7,689 60 14 Part number Pieza 14 3,689 30 15 Part number Pieza 15 4,895 40 80 Como en los costes anteriores, se empleó la recta de regresión de la Gráfica 3, con un coeficiente R2 = 0,9448, para definir el tiempo que tarda el operario en repasar una pieza cualquiera. Figura 32.Velocidad de repaso de las piezas. Una vez conocido el tiempo que emplea en repasar la pieza de estudio el operario, multiplicando dicho tiempo por el coste horario de la empresa se obtiene C7: Coste asociado al repaso y protección del enmascarante. Nota: En el mercado existen actualmente equipos de diferentes principios físicos para medir la discontinuidad de las superficies. Para la inspección previa que es necesaria hacer con el fin de localizar potenciales discontinuidades en la superficie de la máscara, se probaron en la empresa un par de equipos de distintos fabricantes con el ánimo de reducir el tiempo de inspección y/o aumentar la fiabilidad de la misma. Desgraciadamente, los equipos probados no se mostraron eficaces para este propósito y no detectaban discontinuidades visibles por los propios operarios, siendo además el tiempo necesario para barrer toda la superficie de la pieza excesivamente grande, inaceptable desde el punto de vista de la fabricación industrial. Se trata éste, por tanto, de un campo sobre el que habrá que seguir dando pasos porque la importancia de la detección, y de la reparación, de estas discontinuidades es fundamental para evitar piezas que tengan que ser declaradas inútiles al final del proceso. y = 6.1402x + 7.344 R² = 0.9448 0 10 20 30 40 50 60 70 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tiempo (min) Área (m2) Velocidad de repaso (m2/min) 𝑪𝟕=(𝟔,𝟏𝟒𝟎𝟐∗𝑨𝑷+𝟕,𝟑𝟒𝟒)[𝒎𝒊𝒏]∗𝑪𝑯[€𝒉] 𝟔𝟎[𝒎𝒊𝒏 𝒉] ( 18 ) 81 6.7 Coste asociado al fresado químico Como ya se explicó con más detalle en el Capítulo 4, el fresado químico es una técnica de remoción que se fundamentaen la eliminación de material no deseado por ataque de una sustancia química activa. El material removido no desaparece, sino que queda disuelto en los baños de ataque, acortando la vida de los mismos. Ese material disuelto en los baños una vez se fresa la pieza, que en el presente proyecto se trata únicamente de aluminio, ha sido la base del método desarrollado para el análisis del coste del fresado químico. Dicho método está basado en la cantidad de aluminio que aporta la pieza de estudio al baño en relación con la máxima cantidad de aluminio que es capaz de contener el baño. En la norma de uno de los principales fabricantes del sector, en la cual basa sus especificaciones la empresa colaboradora, el máximo aluminio disuelto permitido en el baño de fresado químico es de 75 g/l. Una vez se alcanza dicha composición debe conformarse un baño nuevo. En la norma también se estipula, como ya se mostró en la Tabla 2, que un baño de fresado nuevo debe contener una concentración de aluminio de preparación de 22 g/l. Por lo tanto, tras la formación de un baño nuevo, la concentración maxima que puede ser aportada por las piezas antes de tener que retirar el baño de fresdo es de 53 g/l de aluminio. A partir de lo explicado anteriormente, se decidió llevar a cabo una relación lineal entre la concentración de aluminio en el baño y los costes de la vida del baño, de forma que si una sola pieza aportase al baño de fresado una concentración de 53 g/l de aluminio se le imputaría el coste de la vida del baño. Para el cálculo del coste asociado al fresado químico de la pieza se pensó entonces en asociar a la cantidad de aluminio aportada por la pieza de estudio un porcentaje del coste de la vida del baño, el cual se obtiene realizando una sencilla regla de tres: 53 g/l COSTE DE LA VIDA DEL BAÑO APORTACIÓN DE ALUMINIO DE LA PIEZA AL BAÑO C8: COSTE ASOCIADO AL APORTE DE ALUMINIO AL BAÑO Figura 34. Regla de tres empleada para calcular el coste de la aportación de aluminio de la pieza estudiada al baño 75 g/l 22 g/l 0 g/l Concentración inicial de Al de un baño de fresado químico Concentración máxima de Al permitida por la norma en un baño de fresado químico Concentración máxima de Al que pueden aportar las piezas al baño de fresado químico 53 g/l Figura 33. Concentración máxima de aluminio que pueden aportar las piezas al baño de fresado químico 88 pieza de estudio se llegó a la siguiente expresión para calcular C11: 𝑪𝟏𝟏[€]=𝑪𝑯[€𝒉] 𝟔𝟎[𝒎𝒊𝒏 𝒉]∗(𝟏𝟎[𝒎𝒊𝒏 𝒃𝒂ñ𝒂𝒅𝒂]∗𝟐∗𝑨𝒑𝒓𝒐𝒚𝒆𝒄𝒕𝒂𝒅𝒂[𝒎𝟐] 𝟐𝟎[𝒎𝟐 𝒃𝒂ñ𝒂𝒅𝒂]) ( 33 ) Donde:  𝟐∗𝑨𝒑𝒓𝒐𝒚𝒆𝒄𝒕𝒂𝒅𝒂 es la superficie proyectada sobre el bastidor de carga total de la pieza de estudio.  𝟐𝟎 𝒎𝟐 𝒃𝒂ñ𝒂𝒅𝒂 es la superficie total disponible del bastidor de carga del baño de desoxidado. 6.9 Coste asociado al pelado completo de la pieza En este punto del tratamiento del fresado químico, como ya se explicó en el Capítulo 4, el operario elimina, manualmente o mediante algún desengrasante o vapor, el resto de enmascarante que queda en la pieza. Para calcular C12: Coste asociado al pelado completo de la pieza se llevó a cabo un control del tiempo que dedicaba el operario en pelar completamente distintas piezas. Con los datos obtenidos se realizó una media, obteniendo un tiempo medio por m2 de pieza de 1,2 min/m2. Con este tiempo unitario, y conocida el área total a pelar de la pieza en este punto, junto con el coste horario de la empresa se llega a la siguiente expresión: 𝑪𝟏𝟐[€]= 𝑪𝑯[€𝒉] 𝟔𝟎[𝒎𝒊𝒏 𝒉](𝟐∗𝑨[𝒎𝟐]−∑𝑨𝒇𝒓𝒆𝒔𝒂𝒅𝒂[𝒎𝟐])∗𝟏,𝟐[𝒎𝒊𝒏 𝒎𝟐] ( 34 ) 6.10 Coste asociado a los ensayos Los ensayos son análisis que se llevan a cabo sobre cada uno de los baños que intervienen en el tratamiento de fresado químico, los baños de limpieza previa, el baño de fresado químico, el del dexoxidado posterior y los baños de enjuague. Estos análisis son tan importantes como rutinarios, son realizados cada vez que se producen variaciones en los baños: cambios de carga de trabajo, recargas de productos, etc. La frecuencia con la que se lleven a cabo estos ensayos dependerá, en gran medida, de la carga de trabajo de la empresa. Los datos empleados en este proyecto son los proporcionados por la empresa colaboradora para su carga actual de trabajo. Sin embargo, si dicha carga aumentase, obviamente la vida útil del baño se vería reducida, así como serían necesarias una mayor cantidad de recargas de productos. Es decir, cuanto mayor sea la carga de trabajo mayor será la frecuencia con la que deban llevarse acabo ensayos en los baños. Hay que tener en cuenta que, como ya se explicó en el apartado 6.1 Costes asociados a la limpieza previa, lo explicado anteriormente se cumpliría siempre que la carga de trabajo aumente en igual medida en todos los procesos para los cuales son necesarios los baños, ya que si aumenta la carga de trabajo, pero el número de piezas a las cuales 89 hay que realizarle un tratamiento de fresado químico se mantiene constante, el coste asociado a los ensayos de dicho tratamiento se vería reducido, ya que el reparto de la carga porcentual en los baños de limpieza previa y de enjuague se vería reducido respecto al resto de tratamientos. La empresa proporcionó un coste anual medio de los ensayos de 2400 € por baño. Los baños que se tuvieron en cuenta fueron los siguientes:  Baño de desengrase alcalino  Baño de limpieza alcalina  Baño de decapado ácido  3 baños de enjuague  Baño de fresado químico  Baño de desoxidado Se procedió entonces a calcular el coste mensual que supondrían los ensayos de todos los baños. Para ello, como se comentó al principio de este apartado, se tuvo en cuenta el reparto de la carga actual de trabajo en los baños de limpieza previa y de enjuague mostrado en la Tabla 7. 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒 𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜𝑠 𝑎𝑙 𝑚𝑒𝑠[€ 𝑚𝑒𝑠]=2.400[€ 𝑎ñ𝑜]∗ 1[𝑎ñ𝑜] 12[𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠]∗2+2.400[€ 𝑎ñ𝑜]∗ 1[𝑎ñ𝑜] 12[𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠]∗0.25∗6=700[€ 𝑚𝑒𝑠] ( 35 ) Los m2 de superficie fresada al mes es un dato que ya se obtuvo en apartados anteriores, 400 m2/mes. Conocidos el coste de los ensayos al mes y los m2 de superficie de piezas que son fresadas puede obtenerse un coste de los ensayos en función de los m2 de superficies de piezas que se fresan químicamente. Para imputar dicho coste a la pieza de estudio se multiplica por la totalidad de la superficie de esta, obteniendo así C13: Coste asociado a los ensayos. 𝑪𝟏𝟑[€]=𝟕𝟎𝟎[€ 𝒎𝒆𝒔] 𝟒𝟎𝟎[𝒎𝟐 𝒎𝒆𝒔]∗𝟐∗𝑨[𝒎𝟐]=𝟑,𝟓∗𝑨 ( 36 ) 6.11 Coste asociado a la documentación a formalizar en el proceso En este apartado se ha tenido en cuenta el coste que supone el tiempo que deben dedicar los operarios en la formalización y redacción de los distintos informes y registros del tratamiento de fresado químico. Estos registros se llevan a cabo tras cada una de las etapas del tratamiento, y se emplean para verificar que las piezas cumplen los requisitos marcados por las normas y el cliente. Por lo tanto, el tiempo que dedican los operarios en la generación de los documentos y registros fue 90 estimado en 0,5 h/bañada tras el control de varias bañadas. Dicho tiempo es el que dedican los operarios en una bañada entera, es decir, a toda la carga de piezas que contiene el bastidor de carga. Para imputar este tiempo únicamente a la pieza de estudio se tuvo en cuenta el porcentaje de área que ocupaba esta en el bastidor de carga, así como el coste horario de la empresa, obteniendo de esta forma C14: Coste asociado a la documentación a formalizar en el proceso. 𝑪𝟏𝟒[€]=𝟎,𝟓[ 𝒉 𝒃𝒂ñ𝒂𝒅𝒂]∗𝑪𝑯[€𝒉]∗𝟐∗𝑨𝒑𝒓𝒐𝒚𝒆𝒄𝒕𝒂𝒅𝒂[𝒎𝟐] 𝟐𝟎[𝒎𝟐 𝒃𝒂ñ𝒂𝒅𝒂] ( 37 ) 6.12 Coste asociado al fresado químico de una pieza aeronáutica de aluminio A lo largo de los apartados anteriores se ha definido, para cada una de las etapas del tratamiento de fresado químico, una metodología a seguir para calcular cada uno de los costes asociados a dicho tratamiento. En este apartado se recopilarán cada una de las ecuaciones obtenidas los apartados anteriores referidos a los costes de cada etapa a fin de desarrollar la ecuación (1) mostrada al principio del presente capítulo. Se desarrollará, por tanto la ecuación (1) y a continuación se mostrará la misma ecuación simplificada. 𝐶𝑇=[𝐶𝐻 60∗(𝐴∗7+2∗𝐴𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎∗48 20 )]+[1,25∗𝐴]+[1432 200∗(2∗𝐴∗1.000∗𝑒𝑚𝑎𝑠𝑘𝑖𝑛𝑔 0,215 +0,295∗2∗ 𝐴)]+[𝐶𝐻 60∗(10+6∗𝐴+15∗𝐴)]+[𝐶𝐻 60∗(0,0021∗𝑋−2,5563)]+[𝐶𝐻 60∗(0,0008∗𝑋+ 1,0528)]+[𝐶𝐻 60∗(4,9559∗𝐴𝑃+8,4115)]+[𝐴𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐴𝑙 53 ∗15.673,6]+[𝐶𝐻 60∗(3+7∗𝐴+ 3∗2∗𝐴𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎 20 +∑((𝑒𝑏𝑎𝑠𝑒−𝑒𝑓𝑟𝑒𝑠𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑖)∗60 𝐹𝐴∗1 1000 +3) 𝑛𝑖=1 )]+[2,19∗𝐴]+[𝐶𝐻 60∗(10∗2∗𝐴𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎 20 )]+ [𝐶𝐻 60∗(2∗𝐴−∑𝐴𝑓𝑟𝑒𝑠𝑎𝑑𝑎)∗1,2]+[3,5∗𝐴]+[0,5∗𝐶𝐻∗2∗𝐴𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎 20 ] ( 38 ) Agrupando términos: 𝐶𝑇=𝐶𝐻 60∗[37,4∗𝐴+6,15∗𝐴𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎+0,0029∗𝑋+4,9559∗𝐴𝑃+ ∑((𝑒𝑏𝑎𝑠𝑒−𝑒𝑓𝑟𝑒𝑠𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑖)∗60 𝐹𝐴∗1 1000 +3) 𝑛𝑖=1 −1,2∗∑𝐴𝑓𝑟𝑒𝑠𝑎𝑑𝑎+9,908]+𝐴∗[11,2+66.604,7∗ 𝑒𝑚𝑎𝑠𝑘𝑖𝑛𝑔]+[295,7∗ 𝐴𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐴𝑙] ( 39 ) 91 7 APLICACIÓN DEL MÉTODO En capítulos anteriores se habló tanto de las distintas variables que han tenido en cuenta para el desarrollo del método objeto de este proyecto y se ha realizado un desglose de los costes asociados a cada una de las etapas que conforman el tratamiento de fresado químico. En el capítulo 5 se enumeraron cada una de las variables que influyen en el cálculo del coste asociado a una pieza aeronáutica. Dichas variables eran:  Superficie de la pieza  Área a fresar  Espesor de fresado  Número de áreas a fresar  Morfología del área a fresar  Coste horario De estas variables, el número de áreas a fresar y la morfología del área a fresar no han sido datos a introducir directamente en la fórmula obtenida, pero si se han tenido en cuenta. En el capítulo 6 se desarrolló el método con el cual se puede obtener el precio de una pieza fresada químicamente. De este método se obtuvo la ecuación (38), en la cual se recogen todos los costes asociados a cada etapa del tratamiento de fresado químico. 𝐶𝑇=[𝐶𝐻 60∗(𝐴∗7+2∗𝐴𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎∗48 20 )]+[1,25∗𝐴]+[1432 200∗(2∗𝐴∗1.000∗𝑒𝑚𝑎𝑠𝑘𝑖𝑛𝑔 0,215 +0,295∗2∗ 𝐴)]+[𝐶𝐻 60∗(10+6∗𝐴+15∗𝐴)]+[𝐶𝐻 60∗(0,0021∗𝑋−2,5563)]+[𝐶𝐻 60∗(0,0008∗𝑋+1,0528)]+ [𝐶𝐻 60∗(4,9559∗𝐴𝑃+8,4115)]+[𝐴𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐴𝑙 53 ∗15.673,6]+[𝐶𝐻 60∗(3+7∗𝐴+3∗2∗𝐴𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎 20 + ∑((𝑒𝑏𝑎𝑠𝑒−𝑒𝑓𝑟𝑒𝑠𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑖)∗60 𝐹𝐴∗1 1000 +3) 𝑛𝑖=1 )]+[2,19∗𝐴]+[𝐶𝐻 60∗(10∗2∗𝐴𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎 20 )]+[𝐶𝐻 60∗ (2∗𝐴−∑𝐴𝑓𝑟𝑒𝑠𝑎𝑑𝑎)∗1,2]+[3,5∗𝐴]+[0,5∗𝐶𝐻∗2∗𝐴𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎 20 ] (38) En el presente capítulo se hará uso de los resultados obtenidos en los capítulos 5 y 6, y se aplicará el método obtenido sobre varias piezas con tipologías diferentes, es decir, áreas a fresar diferentes, morfologías de dichas áreas distintas, piezas planas y piezas curvas, etc. Aplicación del Método 93 El método explicado fue desarrollado para ser usado por la empresa colaboradora, por lo que se realizó en un formato que fuera fácil de usar y se introdujeran los datos necesarios de manera mecánica. Para ello se eligió el programa Excel, ya que reunía las características mencionadas anteriormente y además era de uso habitual por los empleados de la empresa colaboradora. La interfaz del programa creado se muestra a continuación en la Figura 32. Debe mencionarse que la fórmula final empleada en el programa de Excel presenta pequeñas variaciones con respecto a la ecuación (41), dado que esta última fue desarrollada de forma más conceptual y teórica para facilitar su comprensión. Estas variaciones son:  Al deber introducirse los datos de longitud, ancho y altura de la pieza sobre el bastidor en el programa Excel en milímetros, ya que así es como aparecen en los planos de la pieza, se lleva a cabo la conversión de milímetros a metros en cada término que contiene la superficie de la pieza.  De igual manera, el espesor de ataque de cada superficie de ataque es dado en los planos en milímetros, por lo que se lleva a cabo también una conversión a metros. Además se tuvo que hacer frente a un problema relacionado con C9: Coste asociado a la mano de obra del fresado químico. Como ya se mencionó en el capítulo 6, en cada escalón de ataque, tras transcurrir el 80% del tiempo de fresado químico esperado, debe realizarse una comprobación del factor de ataque y de si el resultado obtenido en dicho punto era el esperado. A esta comprobación se le asoció un tiempo de 3 minutos por cada escalón de ataque. El problema se encontró a la hora de desarrollar el sumatorio de la ecuación (28), ya que en el programa propuesto debían tenerse en cuenta todos los posibles espesores de ataque con sus respectivos 3 minutos de añadido mencionados anteriormente. Para evitar incluir al proceso más tiempo del realmente Figura 35. Interfaz del programa creado en excel para el cálculo del coste asociado al fresado químico de una pieza aeronáutica. Aplicación del Método 94 dedicado se introdujeron una serie de condicionales, de forma que si se añade algún dato en alguna de las celdas de los espesores se sumen 3 minutos, mientras que si no se introdice nada no se sumen esos 3 minutos. De la misma forma se añadieron condicionales para tener en cuenta o no el espesor base de la pieza en función de si un espesor de ataque ha sido o no introducido. La expresión empleada se representa en la ecuación (41). =(3+(3∗2∗𝐺5∗𝐺6∗0.0000001 20 )+(7∗𝐺5∗𝐺6∗0.000001)+((60 1.8)∗ ((𝑆𝐼(𝐺10;𝐺8;0)−𝐺10)+(𝑆𝐼(𝐺12;𝐺8;0)−𝐺12)+(𝑆𝐼(𝐺14;𝐺8;0)−𝐺14)+ (𝑆𝐼(𝐺16;𝐺8;0)−𝐺16)+(𝑆𝐼(𝐺18;𝐺8;0)−𝐺18)+(𝑆𝐼(𝐺20;𝐺8;0)−𝐺20)+ (𝑆𝐼(𝐺22;𝐺8;0)−𝐺22)))+𝑆𝐼(𝐺10 1.8;3;0)+𝑆𝐼(𝐺12 1.8;3;0)+𝑆𝐼(𝐺14 1.8;3;0)+𝑆𝐼(𝐺16 1.8;3;0)+ 𝑆𝐼(𝐺18 1.8;3;0)+𝑆𝐼(𝐺20 1.8;3;0)+𝑆𝐼(𝐺22 1.8;3;0))∗(𝐺23 60) ( 40 ) Donde:  G5 y G6 son las celdas donde deben introducirse el ancho de la pieza y la altura de la pieza proyectada sobre el bastidor respectivamente en milímetros.  G10, G12, G14, G16, G18, G20 y G22 son las celdas donde deben introducirse los espesores de ataque e1, e2, e3, e4, e5, e6 y e7 respectivamente en milímetros.  G8 es la celda donde debe introducirse el espesor base de la pieza. Como puede observarse en la Figura 32, los datos que debe introducir el empleado se encuentran en las casillas verdes. Dichos datos son las dimensiones de la pieza, alto y ancho, a partir de las cuales se calculará el área de la pieza, la longitud de trazado, el espesor base de la pieza y las distintas áreas de ataque con sus respectivos espesores de ataque. Se han introducido únicamente 7 áreas de ataque con us respectivos espesores de ataque porque en la empresa colaboradora nunca se ha fresado químicamente una pieza con más superficies de ataque. Hay que destacar que, aunque en la Figura 32 aparece sin definir y hasta ahora se ha considerado una variable, el coste horario de la empresa está definido en todo momento. Hasta ahora, para dotar de mayor generalidad al método se había considerado una variable en función del coste horario de la empresa que lo aplicase. Sin embargo, de ahora en adelante este será un dato, de forma que CH = 30 €/h. Se introdujo en el programa también una forma de conocer la saturación del baño de fresado químico tras el tratamiento de la pieza de estudio. Esto se consigue introduciendo en la casilla contigüa a la celda “Nº DE PIEZAS” un 1. Esta función no se introdujo realmente solo para ver el porcentaje de saturación que supone la pieza de estudio, sino para conocer la cantidad de aluminio que aporta al baño el lote completo de piezas, y en consecuencia, el porcentaje de baño saturado tras la finalización del tratamiento. De esta forma se le facilitaría a la empresa colaboradora el seguimiento de la saturación del baño y la preparación de los procedimientos Aplicación del Método 95 pertinentes para la conformación del baño de fresado químico nuevo. Por último, se introdujo también en el programa un desglose de cada uno de los costes que existen en las distintas etapas del fresado químico y que fueron definidos previamente en el capítulo 6. De esta manera puede observarse que costes influyen más en el tratamiento de la pieza y se facilita la explicación del coste final al cliente que solicitó la pieza. A continuación se aplicará el método sobre distintas piezas proporcionadas por la empresa colaboradora, las cuales cumplirán los requisitos estipulados al principio de este capítulo, a fin de observar el funcionamiento del método y programa diseñados para una tipología de piezas variada. Aplicación del Método 95 7.1 Revestimiento de refuerzo de fuselaje central Revestimiento de refuerzo de fuselaje central Aplicación del Método 96 En el plano de la Pieza 1 mostrado en la página anterior puede observarse que dicha pieza posee únicamente dos áreas a fresar químicamente, ambas con el mismo espesor de ataque, por lo que tendrá una única área de ataque a efectos prácticos para la fórmula desarrollada, que será la suma de ambas superficies. Como puede observarse en el plano, se trata de una pieza prácticamente plana, al tener una curvatura muy abierta, y de pequeño tamaño. Hay que destacar que todas las dimensiones que aparecen en el plano son dimensiones finales, es decir, las dimensiones de la pieza tras todos los tratatmientos a los que debía ser sometida y lista para ser entregada al cliente. Sin embargo, hay que tener en cuenta para el cálculo del coste del tratamiento de fresado químico sobre la pieza que las dimensiones de la misma al inicio del tratamiento no son las representadas en el plano, sino que posee creces. Estas creces son de gran importancia, ya que proporcionan varios beneficios. En esta zona se llevan a cabo los taladros que se emplearán para la sujeción de las piezas en los bastidores de carga en los baños tanto de limpieza previa como de fresado químico y desoxidado. Además, esos agujeros se usarán también para la sujeción de las plantillas empleadas para el trazado de las áreas a fresar en la pieza, y la colocación de la pieza para su enmascarado. Pero esta no es la única función de las creces. Como se explicó en el capitulo 4, el enmascarante se aplica inicialmente sobre ambas caras de la pieza, ya sea por inmersión o por aplicación del producto mediante pistolas aerográficas, siendo este último método de aplicación el empleado por la empresa colaboradora. Sin embargo, por aplicación mediante pistola aerográfica no se protegen los bordes de la pieza, teniendo estos que ser enmascarados con rotuladores especiales del producto enmascarante, lo que generalmente supone un incremento sustancial del tiempo de aplicación del enmascarante. Para evitar el aumento de tiempo que supondría la aplicación del enmascarante sobre los bordes de la pieza y sobre los taladros realizados en la pieza para su sujeción en los bastidores de carga y la colocación de las plantillas de trazado, se dejan estas creces, en las cuales los bordes y los taladros no son protegidos, dado que una vez finalizados todos los tratamientos que deban llevarse a cabo sobre la pieza estas serán eliminadas mecánicamente. En función del factor de ataque determinado en el capítulo 6 y los espesores de ataque que lleva a cabo la empresa colaboradora, se determinó que el tamaño de las creces debía ser de 25 mm, suficientes para que durante el fresado no se vea afectado el borde final de la pieza. Como se dijo antes en el presente capítulo, los datos que deberán introducirse en el programa desarrollado son: alto y ancho de la pieza en mm, la longitud de trazado en mm, espesor base de la pieza en mm y las distintas áreas de ataque con sus respectivos espesores de ataque en m2. Del plano de la pieza se extrae entonces:  Longitud de la pieza: 358,9 mm + 25 mm  Ancho de la pieza: 558,1 mm + 25 mm  Altura de la pieza proyectada sobre el bastidor: 358,9 + 25 mm  Longitud de trazado: 2.050 mm  Espesor base de la pieza: 1,27 mm Aplicación del Método 97  Áreas de ataque: 1; 0,133 m2  Espesores finales: 1; 0,8 mm Introduciendo todos estos datos en el programa desarrollado en Excel se obtendrá el coste de la pieza para el coste horario definido. El resultado se muestra en la Figura 33. Figura 36. Resultados proporcionados por el método aplicado sobre la Pieza 1. Aplicación del Método 104 En el plano de la Pieza 4 mostrado en la página anterior puede observarse que dicha pieza posee siete superficies a fresar químicamente con cuatro espesores de ataque distintos. Deberán introducirse en la fórmula desarrollada cuatro áreas de ataque, siendo cada una el sumatorio de todas las superficies con el mismo espesor de ataque. Esta pieza posee cierta curvatura y, al igual que en el caso de la Pieza 2, su altura no se ha dado de manera explicita en los planos, por lo que se supondrá para la aplicación de este método que su longitud y su altura proyectada sobre el bastidor son iguales. Ha sido elegida para la aplicación del método desarrollado por la gran cantidad de superficie de la pieza atacada y los distintos espesores de ataque que posee. Los datos que pueden extraerse del plano son los siguientes:  Longitud de la pieza: 3.150,2 mm + 25 mm  Ancho de la pieza: 1.065,3 mm + 25 mm  Altura de la pieza proyectada sobre el bastidor: 2.748,4 + 25 mm  Longitud de trazado: 27.865 mm  Espesor base de la pieza: 6 mm  Áreas de ataque: 4 - A1 = 0,081 m2 - A2 = 0,458 m2 - A3 = 0,218 m2 - A4 = 0,380 m2  Espesores finales: 4 - e1 = 1,4 mm - e2 = 1,8 mm - e3 = 2 mm - e4 =3,6 mm Aplicación del Método 105 Introduciendo todos estos datos en el programa desarrollado en Excel se obtendrá el coste de la pieza para el coste horario definido. El resultado se muestra en la Figura 36. Figura 39. Resultados proporcionados por el método aplicado sobre la Pieza 4. Aplicación del Método 106 7.5 Resumen de resultados Tabla 17. Resumen de los resultados obtenidos tras la aplicación del método en las distintas piezas. Dimensiones (L x An x H) [mm] Longitud trazado [mm] Afresada [m2]; eataque [mm] C1 [€] C2 [€] C3 [€] C4 [€] C5 [€] C6 [€] C7 [€] C8 [€] C9 [€] C10 [€] C11 [€] C12 [€] C13 [€] C14 [€] CT [€] Pieza 1 358,9 x 558,1 x 358,9 2.050 A1 = 0,133; e1 = 0,8 1,32 0,28 4,95 7,35 4,37 1,35 3,95 2,69 11,62 0,49 0,11 0,19 0,78 0,34 39,79 Pieza 2 935,8 x 1417,4 x 737,4 10.450 A1 = 0,871; e1 = 0,8 7,49 1,73 30,62 19,55 13,20 4,71 5,25 40,32 21,20 3,04 0,55 1,14 4,85 1,65 155,30 Pieza 3 260,5 x 1260,8 x 121,9 8.835 A1 = 0,042; e1 = 0,8 A2 = 0,148; e2 = 0,6 1,74 0,46 8,11 8,85 11,50 4,06 4,22 5,33 24,79 0,80 0,09 0,33 1,28 0,28 71,85 Pieza 4 3.150,2 x 3150,2 x 1065,2 27.865 A1 = 0,081; e1 = 1,4 A2 = 0,458; e2 = 1,8 A3 = 0,218; e3 = 2 A4 = 0,380; e4 = 3,6 19,37 4,33 76,49 41,35 31,48 11,67 10,81 344,52 273,00 7,58 1,51 3,47 12,12 4,54 842,23 107 8 CONCLUSIONES Para bastantes procesos de fabricación en una chapistería aeronáutica, son suficientes uno o dos parámetros de la pieza a tratar para determinar el coste asociado a dichos procesos. Así, por ejemplo, en el caso del anodizado de una pieza para la determinación del coste suele ser suficiente con el conocimiento de su área, lo mismo para el proceso de pintura, y, por citar otro ejemplo, para el tratamiento térmico serían necesarios el conocimiento del área y el espesor. Los procesos anteriores podrán ser bastante complejos pero, como se ha dicho, con esa información es suficiente para determinar el coste del proceso imputable a una pieza determinada. Sin embargo, como se ha visto, son bastantes más los factores que hay que tener en cuenta para la estimación de los costes asociados con el proceso de fresado químico. De entrada, el área de la pieza, el espesor inicial, las áreas de ataque, los espesores de ataque, la morfología de trazado, etc., son datos absolutamente imprescindibles para la determinación de esos costes. Y esta estimación de costes, y no sólo en el proceso de fresado químico, es un paso obviamente necesario para la cotización de dicho proceso. Sin entrar en detalles, normalmente la empresa aplicará a los costes obtenidos un porcentaje de beneficio con el fin de obtener el precio cotizado, que podrá ser o no en el futuro el precio de venta del producto tras las potenciales negociaciones que pueden surgir tras una oferta inicial. Desde esta perspectiva resulta claro que una estimación de costes errónea que condujese a costes demasiado bajos, podría no hacer rentable o hacer poco rentable el proceso de fresado químico si se produce una adjudicación de los trabajos con precios cotizados demasiado bajo. Por otra parte, una estimación de costes por exceso podría hacer que la cotización de la empresa no fuese competitiva en un mercado cada vez más global y con mayor competencia, con la consecuencia de la no adjudicación de los trabajos. Por tanto, la estimación de costes ha de hacerse con bastante rigor, con el objetivo de que represente lo más fielmente posible la realidad de los costes en los que incurre la empresa. Y este análisis riguroso de costes se complica evidentemente a medida que son necesarios más datos para afrontarlo. Como se ha visto, para la obtención de la fórmula final de costes del fresado químico, se han tenido que hacer algunas aproximaciones e hipótesis, si bien se ha procurado que las primeras sean válidas y las segundas razonables. Aún así, el lector puede entender que quizás algunos factores o costes no se han tenido en cuenta, pero no hay que olvidar que algunos de esos costes ya estaban incluidos implícitamente en el coste horario proporcionado por la empresa, en el que estaban implícitos todos los costes estructurales y algunos costes semidirectos. Como ya era sabido desde el planteamiento del problema por un simple razonamiento lógico, no resulta posible la extracción de conclusiones generales sobre el coste del proceso para una pieza determinada. Efectivamente la amplia diversidad de piezas con la que nos podemos encontrar no permite, salvo proposiciones obvias, ninguna conclusión general cualitativa acerca del coste del proceso para una pieza determinada. Diferentes trazados, diferentes espesores de ataque, diferentes áreas de ataque, diferentes áreas totales, etc… hacen que una conclusión general respecto a los costes no sea viable. Conclusiones 108 Por otra parte y sin embargo, sí se considera bastante general el método de cálculo de costes del proceso de fresado químico presentado en este trabajo. Es más, la fórmula final a la que se ha llegado para un caso concreto puede generalizarse aún más sólo con cambiar algunas constantes por variables, por ejemplo el área del bastidor de carga de los baños de procesos químicos disponibles pero, eso sí, siguiendo el método descrito. Se considera, por tanto, que el trabajo realizado está dotado de utilidad práctica para establecer los costes asociados al proceso de fresado químico. 109 BIBLIOGRAFÍA [1] [Industria Aeroespacial]. (sin fecha). (Disponible en: https://www.aero.upm.es/departamentos/economia/investiga/Informe%202006/Index.html. Consultado el: 14 de Julio de 2018). [2] ASOCAE. (sin fecha). [Industria Aeroespacia]. (Disponible en: https://natureduca.com/tecnologiaaeronautica-historia-01.php. Consultado el: 14 de Julio de 2018). [3] Ibon Serrano y Roberto Osés de IK4-Ideko; Begoña Canflanca, Miguel Lagos y Malen Caño de Tecnalia; Santiago Fernández y Susana Ferreiro de IK4-Tekniker. 2012. Materiales metálicos de uso frecuente en aeronáutica: aleaciones ligeras Al-Li. [4] Aleaciones de aluminio. (sin fecha). (Disponible en: https://aeronautica.info/materiales-metalicos- aeronaves/aleaciones-de-aluminio/. Consultado el: 16 de Julio de 2018). [5] Aleaciones para ingeniería. (sin fecha). 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MASKING D es un reciente desarrollo de producto de enmascarado que proporciona una protección adicional contra la acción corrosiva de las soluciones calientes ácidas y alcalinas, estando especialmente desarrollado para utilizar en el Proceso Chem Mill. Este producto presenta las últimas mejoras de formulación, tales como alta capacidad de espesamiento (generalmente con aplicaciones por inmersión darán un espesor de película seca de 13 mils o 300 microns), alta capacidad de eliminación de burbujas y una mayor facilidad de detección de defectos debida a una película fluorescente. El producto viene ya preparado a la viscosidad de uso para aplicaciones por inmersión. MASKING D cumple con la Regla 66 de Air Pollution Control Districts de Los Angeles y la regulación 3 de Bay Area. PROPIEDADES DEL LIQUIDO Viscosidad a 25ºC: 38 - 42 seg. Copa Zahn 5 Contenido en sólidos en peso: 23 ± 2% Peso específico: 1.51 Almacenamiento a 25ºC: 1 año mínimo Color: Verde claro Punto inflamación: Por encima de 90º C PROPIEDADES DE LA PELÍCULA Resistencia a la tracción: 1.000 p.s.i. mínimo Elongación hasta ruptura: 580 - 610% Adherencia de la película gr/2.5 cm sobre aluminio antes del mordentado: 380 - 400 gr. Después del mordentado: 600 - 800 gr. ESPESOR DE LA PELÍCULA. Una película seca de 250 microns (10 mils) de espesor proporciona normalmente una adecuada protección en el proceso del aluminio y del magnesio. Para el acero y el titanio se recomienda un mínimo de 300 microns (12 mils) para evitar que pueda ocurrir algún deterioro de la película con estos reactivos. NUMERO DE CAPAS MASKING D proporcionará el espesor de película requerido en sólo dos capas dependiendo de la temperatura de uso. (Ver el diagrama adjunto). VISCOSIDAD En principio el producto se usa tal como se suministra con la viscosidad indicada de 38 - 42 sec. Copa Zahn Nº 5 a 25º C.