La competencia global en el sector de la fabricación industrial hace que los requisitos de calidad y precisión se vuelvan cada vez más exigentes. ¿Cuál es la manera más eficiente y rentable de optimizar y supervisar toda la cadena de producción?

Para muchas empresas de producción, el control integrado de procesos dinámicos ha demostrado ser la solución, sobre todo con la ayuda de sensores piezoeléctricos.   
   
La visión de la Industria 4.0 empieza a convertirse en una realidad en numerosas aplicaciones industriales, en sectores como la fabricación de automóviles, la tecnología médica y la ingeniería eléctrica. Ya es posible una optimización sin precedentes de todos los procesos de producción gracias a una mayor digitalización y al desarrollo y aumento de las conexiones de red entre máquinas y sistemas. El control constante de la cadena de producción, con el objetivo de conseguir una calidad absoluta (producción "cero defectos"), es esencial para que cualquier empresa moderna de producción pueda aguantar el tipo en el mercado del futuro.    
   
Hasta hace no muchos años, casi todos los productos seguían inspeccionándose "offline", es decir, tras el proceso de fabricación en sí. Hoy en día, en cambio, se inspeccionan cada vez más productos durante el proceso de producción ("inline") como método para evitar costes innecesarios. A la hora de unir, ensamblar y probar piezas, la tecnología de sensores basada en el principio piezoeléctrico es un factor fundamental de optimización del proceso de cara a alcanzar una producción "cero defectos". Esta tecnología es especialmente adecuada para medir variables físicas como la fuerza, la presión, la aceleración y el par.    
   
• Sensores piezoeléctricos: los fundamentos   
La base física para el uso de sensores como estos es el "efecto piezoeléctrico", descubierto por Pierre y Jacques Curie en 1880. Al colocarlos bajo una carga mecánica (en griego, "piezein" significa presionar o estrujar), los materiales piezoeléctricos generan cargas eléctricas. En 1950 se dio un gran paso hacia la aplicación del efecto piezoeléctrico, cuando Walter P. Kistler patentó el amplificador de carga para señales piezoeléctricas.   
   
El efecto piezoeléctrico se aprovecha especialmente bien si se utiliza un cristal de cuarzo: cuando se aplica una carga mecánica a un cuarzo adecuadamente procesado, este puede generar una señal de carga directamente proporcional a la fuerza actuante. Por tanto, a diferencia de otras tecnologías, la captura del objeto a medir usando el efecto piezoeléctrico no depende de la tensión y el desplazamiento. En este caso, las dimensiones del elemento de cuarzo solo determinan la anchura máxima permitida del objeto a medir. Por consiguiente, la señal generada por un sensor grande es comparable a la de un sensor pequeño con la misma estructura. El amplificador posterior se utiliza a continuación para establecer el rango de medición necesario, permitiendo una medición precisa a lo largo de varias décadas con solo un sensor y sin necesidad de cambiar la estructura mecánica.    
Kistler también ofrece sensores de fuerza piezoeléctricos con salida ICP®: en este caso, la señal en bruto ya se convierte en el sensor en un voltaje de salida de 5 o 10 voltios.   
   
Gracias a la extrema dureza del cristal, la desviación de la medición es baja, normalmente del orden de varios kilonewtons por micrómetro, dándole al sistema de medición una alta frecuencia natural. Para los procesos altamente dinámicos particular, este es un criterio clave. Otro factor importante: el cuarzo y los cristales no muestran fatiga ni efectos a largo plazo como descalibraciones o cambios de linealidad. En algunos casos, el uso de sensores piezoeléctricos puede verse limitado por la deriva de carga que ocurre por razones físicas. Sin embargo, dependiendo de la anchura del objeto a medir y de cómo esté diseñada la tecnología de medición, se pueden conseguir periodos de medición cuasiestática de varios minutos, o incluso horas.   
   
Gracias a la tecnología de sensores de cuarzo desarrollada por Kistler desde los años 50, pueden medirse fuerzas dinámicas tanto directa como indirectamente. Para una medición directa, el sensor se posiciona directamente en el flujo de fuerza (1), y mide toda la fuerza. Este método aporta una gran precisión en la medición, casi independientemente del punto de aplicación de la fuerza. Si el sensor no puede posicionarse directamente en el flujo de fuerza, solo medirá parte de la fuerza (3); la fuerza restante cruzará la estructura a la que se aplique (esto se conoce como derivación de fuerzas, o "shunt" en inglés). En el caso de la medición indirecta, los sensores de deformación se utilizan para medir el proceso de fuerza indirectamente a través de la deformación estructural (2).   
   
• Aplicaciones en la investigación y la industria   
Además del aspecto económico, el aspecto infraestructural y de instalaciones se tiene cada vez más en cuenta hoy en día. El tamaño es a menudo un factor clave a la hora de elegir un sensor de fuerza. Los sensores de cuarzo son extraordinariamente estables, robustos y compactos; a menudo pueden instalarse en puntos de medición en los que no pueden utilizarse otras tecnologías. Estos atributos explican su uso extendido, no solo en investigación y desarrollo sino también, y cada vez más, en líneas de producción y tecnología de pruebas industriales.    
   
Por poner un ejemplo: para hacer pruebas de envejecimiento y carga en componentes de automoción (por ejemplo, para test de presión, tensión, choque y resistencia de cierres, puertas, capós, maleteros, asientos y muelles, etc.), se necesitan mediciones de fuerza dinámica que muestren estabilidad a largo plazo. En ese sentido, los sensores de fuerza de cuarzo son mejores que otros sensores, ya que el cuarzo no muestra signos de envejecimiento y las calibraciones pueden limitarse, principalmente, a los ciclos especificados en sistemas de control de calidad como el DIN EN ISO 9001:2015. Estas ventajas ahorran tiempo y dinero a todos los niveles. En ciertas aplicaciones, los sensores de fuerza de cuarzo ofrecen varias ventajas técnicas, además de una reducción de costes importante gracias a sus menores gastos de mantenimiento a lo largo de su vida útil.   
   
Los sensores de fuerza piezoeléctricos se usan para medir fuerzas dinámicas (por ejemplo, en procesos de perforado de láminas de metal); además, se utilizan en procesos cuasiestáticos, como el ajuste a presión de rodamientos en bloques motores. En estos casos, los procesos de fuerza pueden activarse de forma segura: la tecnología de medición no sufre daños aunque se den picos de fuerza que destruirían sin remedio un sistema de medición convencional.   
   
Los sistemas Kistler ofrecen una óptima solución de control de calidad para el análisis y documentación de procesos de moldeo por inyección. La presión interior es la variable de proceso más informativa, ya que describe las condiciones de forma inmediata, mientras se está moldeando la pieza. En base a la presión interior, los sensores y sistemas pueden detectar lo antes posible si se están produciendo piezas buenas o piezas a desechar.   
   
• Soluciones de sistemas para un control de calidad integrado en el proceso   
Para poder utilizar los datos que recogen los sensores piezoeléctricos de alta sensibilidad, estos datos han de visualizarse, evaluarse y documentarse con sistemas de control adecuados. Integrar estos sistemas de medición en la cadena de fabricación permite la detección temprana de defectos de producción, reduciendo por tanto los riesgos de pérdidas económicas debido a piezas defectuosas.    
   
En la tecnología de ensamblado, el sistema maXYmos de Kistler controla de forma fiable los procesos de producción. Resultado: una producción optimizada con vistas a la calidad absoluta ("cero defectos") y una rentabilidad máxima. De las características del sistema destacan especialmente su excepcional flexibilidad y su interfaz de usuario, fácil de utilizar. Puede utilizarse no solo para procesos automatizados de unión y ajuste a presión, sino también para operaciones manuales, como procesos de prensado a mano. Además de la producción y el ensamblado, los sensores Kistler y los monitores XY pueden utilizarse para comprobar la funcionalidad del producto final. Los monitores XY de Kistler, gracias a su gran versatilidad, pueden cumplir con los requisitos de todos los sectores industriales, en los que el control de calidad se está convirtiendo en una prioridad.   
   
• Centrados en una mejor rentabilidad   
Los sensores piezoeléctricos y los sistemas de control relacionados de Kistler ya se utilizan en Europa, en Estados Unidos y en Asia; en todo el mundo, de hecho. La tecnología de sensores basada en el principio piezoeléctrico aumenta la fiabilidad de los procesos de la cadena de producción de una empresa, además de mejorar la productividad de forma sostenida, abriendo el camino a una producción con cero defectos y una eficiencia óptima de los procesos. Desde el punto de vista empresarial, esta tecnología de alta precisión sirve, por encima de todo, para una cosa: para crear una base sólida para el éxito económico en un mercado en el que la competencia es feroz en todo el mundo.