Los cilindros neumáticos: historia y aplicaciones.

El mercado actual pide una producción y realización de procesos en cadena o en serie, gracias a la alta demanda de productos por parte del consumidor.

De este modo y para lograr este alcance de la producción, las industrias han tenido que implementar la automatización de sus procesos para hacerlos más veloces y conseguir así, competir con los otros proveedores. Por eso, a lo largo de los últimos años, las industrias han ido incorporando PLC, electroválvulas neumáticas y otros elementos de los cuales hablaremos a continuación.

Si echamos un vistazo a las empresas que trabajan en serie, veremos como entre todos los paquetes que mueven las cintas transportadoras a gran velocidad, encontramos los cilindros pneumáticos, unos actuadores imprescindibles para hacer que este sistema funcione.

La principal función de los cilindros neumáticos es transformar la energía neumática en trabajo mecánico en movimiento rectilíneo. Este movimiento rectilíneo viene dado por el adelanto y el retroceso del tallo del cilindro.

Los cilindros neumáticos se componen principalmente de tres partes: un compartimento o camisa, cerrado por los dos lados; el émbolo que separa las dos cámaras, la de delante y la última; y el tallo que está unido al émbolo y que es el responsable de realizar la fuerza desarrollada por el cilindro gracias a la presión del aire neumático que actúa sobre las superficies internas de la camisa y del émbolo.

Todas las partes de los cilindros están fabricadas de materiales como el acero inoxidable, el acero al carbono, el aluminio y otras aleaciones especiales, que dan a los cilindros alta durabilidad y resistencia en los procesos que realizan.

Muchos de ellos tienen que aguantar altas fricciones y velocidades entre sus componentes, es por ello que deben ser resistentes a ambientes con altas temperaturas y/o contaminantes, como es el caso de los que funcionan en las industrias alimentarias, farmacéuticas o químicas, por ejemplo.

Una de las principales ventajas que tiene utilizar estos materiales, es que producen una regulación del aire comprimido de manera más eficiente, no necesitan lubricación y también permiten la ubicación precisa del cilindro. Además, en el supuesto de que los fabricantes necesiten conocer la ubicación del cilindro para sus procesos, pueden colocar sensores magnéticos de tipos reed encima de la camisa del cilindro para monitorizarlos en todo momento.

Existen infinidad de cilindros neumáticos en la industria adaptados a la precisión según las necesidad de cada caso. Entre los cilindros más utilizados encontramos:

• El cilindro de simple efecto: es un tipo de actuador donde el aire neumático trabaja en un solo sentido, haciendo salir el tallo. El retroceso de este se realiza gracias a un muelle interno.

• El cilindro de doble efecto: en este actuador, el tallo se acciona y devuelve, a ambos lados de las dos cámaras que separa el émbolo, con un esfuerzo totalmente neumático.

Además de estos dos tipos de cilindro, que son los más típicos, existen muchos más, como por ejemplo los cilindros en tándem, los cilindros con dispositivo de sujeción del tallo y los cilindros con posicionador, entre otros. Cada uno de ellos se utiliza según la necesidad específica de la industria.

Pero, ¿Cuál fue el origen de estos tipos de actuadores?

Su origen se remonta al siglo I A.C en Grecia donde se  inventó el primer cañón neumático que comprimía el aire en los cilindros que lo componían. Posteriormente, en el siglo III A.C se desarrolló la técnica para comprimir el aire, pero la carencia de recursos existente en aquella época, hizo que no se pudieran desarrollar de forma correcta sus aplicaciones haciendo que la evolución de la energía neumática quedara estancada.

Años después, alrededor de los siglos XVI y XVII, y gracias a los descubrimientos de Galileo, Boyle, Torricelli, Pascal, Mariotte y Gay Lussac relacionados con la implicación de las leyes naturales sobre la compresión y la expansión de los gases, la neumática resurgió.

Con los nuevos descubrimientos en esta materia, otros científicos pudieron definir nuevas aplicaciones, como por ejemplo la máquina de émbolo, en 1688, de la mano de Papín, o el primer cilindro soplete neumático, del año 1762, que se hizo realidad gracias a John Smeaton.

A pesar de todo, no fue hasta el siglo XIX, cuando se empezó a utilizar la neumática de forma sistemática en la industria.

¿En qué aplicaciones se pueden encontrar los cilindros neumáticos?

Lo cierto es, que hay infinidad de aplicaciones en las que se pueden utilizar los cilindros neumáticos porque facilitan y hacen más eficientes los procesos industriales. Con todo, las más habituales son las de empaquetamiento y embalaje de productos, de automatización de procesos de manufacturación, de apertura de compuertas, de llenado de botellas, de cintas transportadoras o de paletizadoras, entre muchos otros.

Y precisamente en el módul de Mecatrónica Industrial del Doble Grado Superior que imparte Comastech, los y las alumnas aprenderán a utilizar los cilindros neumáticos creando pequeños automatismos en el taller y a simular los procesos que se llevan actualmente a término a las industrias.

Para poder iniciarnos en el mundo de los PLC’S (Controlador Lógico Programable), primero tendremos de saber qué son, luego definir el concepto de automatización industrial y por último ver su evolución al largo de la historia.

La NEMA (Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos) define al PLC’S de la siguiente manera: “Instrumento electrónico, que utiliza memoria programable para guardar instrucciones sobre la implementación de determinadas funciones, como operaciones lógicas, secuencias de acciones, especificaciones temporales, contadores y cálculos para el control mediante módulos de E/S analógicos o digitales sobre diferentes tipos de máquinas y de procesos”.

El origen de los PLC’S

La automatización de tareas cotidianas ha sido el objetivo principal desde la aparición de la de las actividades industriales, intentando minimizar y eliminar tareas repetitivas con intervención humana, minimizar errores, reducir costes, aumentar la productividad, la seguridad y la calidad en el producto final. A mediados del siglo XIX los automatismos mecánicos implantados en la industria crecieron de forma exponencial. Para realizar las funciones requeridas para estos procesos se utilizaba la lógica cableada (uso de circuitos cableados, mediante contactos auxiliares de relés, relés temporizados, contadores…) cuando el proceso era complejo o de un tamaño considerable, el resultado final podía ser como el cuadro eléctrico que se muestra en la imagen.

Es evidente que cualquier cambio en la programación de la instalación, pasaba por modificar el cableado y los elementos de mando, siendo esta tarea bastante complicada para los técnicos de mantenimiento, de la misma manera que la búsqueda de averías en la instalación.

Pero ¿Cómo se sustituyeron los sistemas de cuadros cableados por los automatismos?

En 1968 General Motors abrió un concurso de propuestas para sustituir los sistemas de cuadros cableados de relés por una alternativa electrónica. La propuesta ganadora fue la presentada por el equipo de ingenieros de Bedford Associates con su propuesta de Controlador Digital Modular MODICOM 084, capitanieado por Dick Morley, considerado como el «padre» del PLC’S. Después de esto, Bedford Associates creo una nueva empresa denominada Modicon (MOdular DIgital CONtroler), para desarrollar, mejorar y comercializar el prototipo ganador. La marca Modicon fue vendida en 1977 a Gould Electronics, y posteriormente por la compañía alemana AEG y finalmente por la francesa Schneider Electric, el actual propietario.

De la lógica cableada al PLC’S

La lógica cableada paso a ser lógica programada sustituyendo los elementos utilizados en los circuitos de mando (contactos auxiliares de relés, relés temporizados, contadores…) por el PLC’S, permitiendo realizar cambios en las operaciones de mando con solo cambiar la programación sin necesidad de modificar el cableado del cuadro.

En los 80 se pasó a programar con programación simbólica a través de ordenadores personales en lugar de hacerlos desde los terminales de programación.

En la búsqueda de un lenguaje de programación universal.

Unos de los grandes problemas que siempre han tenido los PLC’s ha sido la falta de un estándar de programación entre las diferentes marcas comerciales dedicadas a su fabricación. No fue hasta los años 90 cuando se comenzó a realizar por parte de todas las marcas una gradual reducción los protocolos, aunque manteniendo cada una su propio lenguaje de programación, entre los que destacan: KOP (lenguaje de contactos), FUP (lenguaje de puertas lógicas) y AWL (lenguaje en modo texto).

Actualmente los PLC’s son piezas indispensables dentro de cualquier automatismo, siendo estas sus principales características:

• Operaciones en tiempo real muy cortas, con un tiempo de proceso de datos de milisegundos.
• Flexibilidad y sencillez para modificar la programación y para adaptarse a cambios el proceso industrial.
• Comunicación inmediata con otro tipo de PLC’S o PC’s.
• Posibilidad de comunicación con una red industrial.
• Fácilmente programables.
• Posibilidades de Expansión.

Finalmente, podemos concluir que aparte de estas especificaciones, también están diseñados para aguantar condiciones de trabajo extremas como lo son: las altas temperaturas, la humedad, el polvo, o las vibraciones, características que los hace ideales para su uso en la industria.

En 1643, con la invención del barómetro de mercurio, gracias al físico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647), la verdadera naturaleza del aire quedó al descubierto. Se entendió definitivamente el concepto de presión atmosférica y, gracias a ese instrumento, pudo empezar a medirse.

Las experiencias de Torricelli animaron a otros a experimentar con el aire. Es el caso del jurista, físico y matemático alemán Otto von Guericke (1602-1686), que diseñó un experimento para demostrar la gran fuerza que ejerce el aire que nos rodea.

Muy influenciado por los estudios llevados a cabo por Torricelli y también por el matemático francés Blaise Pascal (1623-1662) sobre la presión atmosférica, inventó la primera bomba de vacío de la historia, que justamente utilizó para efectuar el famoso experimento.

Pero ¿La bomba de aire se inventó para meter o para vaciar el aire?

Hoy en día las bombas de aire se utilizan por lo general para llenar de aire cualquier cavidad, por ejemplo, la cámara de aire de las ruedas de la bicicleta. En 1650, Von Guericke inventó este práctico aparato con el que demostró no solo que se podía llenar de aire un espacio, sino que también se podía sacar el aire de este, y lo hizo de una forma tan espectacular que todavía hoy encontramos representaciones del experimento que llevo a cabo.

El 8 de mayo de 1654, Otto von Guericke mostró a los asistentes convocados dos semiesferas huecas de cobre idénticas, de aproximadamente medio metro de diámetro cada una (llamadas hemisferios de Magdeburgo). Las enfrentó y juntó, para, acto seguido, y mediante su bomba de vacío, extraer el aire contenido en la cavidad interior. Interpuso entre los bordes de unión de los hemisferios un arco de cuero para facilitar el cierre hermético de la esfera resultante. Al haber extraído el aire del interior con la bomba, la presión ejercida por el exterior mantenía firmemente unidas las dos partes. A través de unas argollas metálicas situadas en la parte exterior de ambos hemisferios, se pasaron unas cuerdas y se dispusieron dos grupos de hombres sobre 8 caballos que empezaron a tirar de cada cuerda en sentidos opuestos sin conseguir separar los hemisferios.

Fue después de varios intentos y de un gran esfuerzo de los animales, cuando logró penetrar algo de aire en la cavidad, igualándose las presiones interna y externa que lograron separarlos.

Actualmente, estos famosos hemisferios de Magdeburgo, construidos en el siglo XVII por Von Guericke, se contemplar en un museo de Munich.

La extraordinaria fuerza del aire.

El aire se encuentra libre en la atmósfera y rodea nuestro planeta, siendo un elemento indispensable para la vida. 

Está formado por nitrógeno, oxígeno, argón y gases nobles, entre otros, y tiene las siguientes características: es incoloro, inodoro e insípido.

Actualmente, y gracias a las diferentes tecnologías que se utilizan en la industria, la bomba de aire tiene múltiples aplicaciones y usos, como, por ejemplo:

Bomba de vacío: se utiliza para extraer aire o gas de un circuito o recipiente con el objetivo de crear una atmósfera con una presión absoluta inferior a la presión atmosférica, produciendo una depresión donde antes había aire o gas.

Esta bomba tiene diferentes aplicaciones para industrias muy diversas. Se emplean en la industria química, en algunos procesos de la industria metalúrgica, en las industrias de artes gráficas, y también en el sector alimentario como un proceso más de conservación. En el caso de la industria automatizada, se utiliza generalmente para realizar el efecto Venturi en la herramienta de un robot o para realizar una paletización.

Compresor: La primera patente sobre el compresor atmosférico se obtuvo en 1829, marcando así el inicio de los procesos productivos e industrializados.

Los compresores de aire industriales son máquinas que se utilizan generalmente para obtener aire comprimido o presurizado entre 10 y 12 bares. Aspiran el aire ambiente, a presión atmosférica, y lo comprimen hasta lograr una presión superior, pudiendo comprimir también otros gases como, por ejemplo, el nitrógeno y el oxígeno. 

La energía neumática es una de las energías más utilizadas tanto en aplicaciones industriales como en domésticas. Son numerosas las funciones que tiene el aire comprimido a la hora de proveer la energía necesaria para el movimiento de mecanismos, la simplificación de estos o el uso de algunas herramientas.

Entre sus aplicaciones, destacan el movimiento de cilindros neumáticos y sus electroválvulas en la industria automatizada, o su uso durante el proceso de cambio de herramienta en una máquina CNC.

Si te interesan los materiales y sus aplicaciones, y quieres aprender cómo se pueden procesar y transformar para darles el mejor uso para la industria y la sociedad, seguro que te interesará formarte en el grado de Formación Profesional en Fabricación Mecánica y Mecatrónica Industrial de Comastech. Aprenderás sobre materiales y sus aplicaciones, pero también sobre mecanizado, dibujo técnico, robótica, electrónica, neumática, montajes ... y todo integrado en un grado 3x2 de FP (dos grados superiores en 3 años), con un 80% de parte práctica y en modalidad DUAL (parte de la formación en la empresa).

¿A qué esperas? Pide más información para entrar a formar parte del equipo de Comastech. ¡Transfórmate!

Nos ha tocado vivir una situación de emergencia climática, donde aspectos como la contaminación, el consumo energético, la emisión de gases de efecto invernadero o el derroche de recursos naturales son aspectos de gran importancia. En este contexto existen una serie de necesidades que no pueden ser cubiertas de la forma en que tradicionalmente se ha ido haciendo. La movilidad náutica es uno de los campos en que las nuevas realidades han impactado de forma importante.
Uno de los sectores que más están cambiando es el de la motorización de pequeñas embarcaciones. Ya sean barcas profesionales o particulares, dedicadas a tareas de seguridad, salvamento, descontaminación, pesca o, simplemente, de como embarcación de ocio, las pequeñas embarcaciones suponen un sector con miles de usuarios y que tiene un impacto en el medio.
Y en este contexto, los motores fuera borda no paran de crecer en medida, potencia y ventas. Cada vez más barcos se diseñan específicamente para estas motorizaciones, y las cifras de unidades fabricadas e instaladas no paran de crecer.

Pero ¿Por qué los motores fuera borda están teniendo este éxito?

La razón es que dan respuesta a las necesidades actuales a la vez que ayudan a reducir el impacto ambiental de las actividades náuticas.
Los primeros motores fuera borda fueron motores de gasolina de dos tiempos, fiables, sencillos y de consumo reducido. Pero fueron prohibidos en la Unión Europea ya en 2013, al no cumplir la normativa de consumos, contaminación y ruido de las nuevas directivas.Por lo tanto, actualmente los motores fuera borda son mayoritariamente de cuatro tiempos. Más respetuosos con el medio ambiente, más eficientes y menos ruidosos, a la vez su más pesados y complejos.
Pero ahora los fabricantes han desarrollado estos motores hasta límites que los convierten en máquinas excepcionales.
Con consumos moderados y emisiones bajas, son a la vez motores capaces de trabajar en regímenes continuados de casi su 100% de capacidad, en el ambiente marino que es altamente corrosivo. Propulsados mayoritariamente a gasolina, emiten menos partículas que los motores diésel tradicionales de muchas embarcaciones náuticas.
Y precisamente su crecimiento en medidas y prestaciones les permiten sustituir estos motores diésel en muchas aplicaciones. Podemos combatir mejor la corrosión al poder limpiarlos fácilmente e incluso sacarlos del agua cuando no están en servicio. Las nuevas potencias de estos motores van asociadas a tecnologías de inyección directa y gestión electrónica que superan al sector del automóvil.
Por lo tanto, son motores de más fácil instalación y mantenimiento, duraderos, capaces de trabajar en grandes regímenes con consumos y emisiones moderadas, y que además se optimizan para reducir al mínimo los derrames de fluidos en caso de accidente.

Un ejemplo de esto es el motor Yamaha V8 VTO Offshore. Un motor disponible en versiones de 375 y 425 HP, y que permite que se monten varios a la vez en una embarcación. Esto quiere decir que se pueden instalar fácilmente 1700 HP de potencia en una embarcación, lo que permite competir en esta tecnología con los diésel intra borda.

Se trata de un motor con 8 cilindros en un bloque de aluminio en V, con tecnología de inyección directa. A pesar de llegar a los 50 nudos de velocidad punta, este motor no está pensado para las carreras o la velocidad. Su punto fuerte es el bajo consumo y las bajas emisiones que genera cuando trabaja en el rango medio de sus prestaciones.
La gestión de las 32 válvulas se consigue con cuatro árboles de levas. Y la inyección directa se realiza mediante dos bombas principales, dos auxiliares y un separador de vapor, el que permite inyectar el combustible a 200 bar de presión.
Por lo tanto, y respondiendo a la pregunta inicial, los fuera borda están revolucionando la náutica porque aportan niveles de tecnología impresionantes para dar solución a los problemas actuales.

¿Sabias que en Comastech ofrecemos una formación en Mecánica Náutica en colaboración con Yamaha?