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1. INTRODUCCIÓN Desde su aparición, la tecnología de fabricación mecánica está en evolución continua e integra constantemente las posibilidades y las exigencias coyunturales, que son principalmente: ahorro a horro de energía, rentabilidad de sus instalaciones, insta laciones, automatización, informatización de los procedimientos y competitividad de sus productos en el mercado mundial que, tanto por razones técnicas como políticas, presenta a menudo una cierta anarquía. Los procesos de tecnología mecánica han sido y son un factor determinante en la evolución y desarrollo de cualquier nación, y constituyen el núcleo principal de los sistemas de producción en cualquier entorno industrial. En la revolución industrial del siglo XVIII, estos procesos se convirtieron en un elemento crítico en la sociedad, proporcionando varios var ios productos de consumo y automatizando la industria agrícola así como reduciendo la mano de obra necesaria para producir y suministrar los alimentos a dicha sociedad. Durante la revolución industrial del siglo XX, gran parte del trabajo físico penoso e insalubre que realizaban los operarios fue automatizándose poco a poco. Hoy en día, como es bien sabido, la globalización de los mercados junto con el creciente número de variantes de un producto comercial y ciclos de vida cada vez más cortos plantea un serio reto a las empresas de fabricación mecánica, ya que ahora no sólo compiten entre sí en su propio país, sino que deben afrontar la competencia internacional. Todo ello, ha forzado a los fabricantes de productos industriales a acortar los tiempos de diseño y, al mismo tiempo, a no correr riesgos en los procesos de desarrollo y fabricación del producto. Estos productos ofrecen, cada día, más y mejores prestaciones, una amplia gama de variantes para adaptarse a los gustos y necesidades de los clientes, una garantía de calidad “cero defectos” y un ciclo de vida corto debido a las constantes incorporaciones de nuevas y sofisticadas tecnologías. Es importante destacar que las nuevas tecnologías, especialmente la microelectrónica, la automática, las técnicas de control, los nuevos materiales e la informática, incorporadas al proceso productivo, permiten nuevos enfoques a la resolución de los problemas de producción.
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Además, el desarrollo tecnológico y su aplicación en la actividad empresarial representan, en el nuevo marco económico de la moneda única del que España forma parte, uno de los medios más importantes, si no el principal para acrecentar la competitividad de los productos y artículos fabricados. Las nuevas tecnologías van a tener gran importancia a la hora de determinar la competitividad industrial, incidiendo en todos los aspectos que forman parte de la actividad empresarial. La creación del mercado único, así como la competitividad a nivel internacional, ha situado a las empresas españolas en una situación compleja en las que sus ventajas competitivas a medio y largo plazo dependerán, en gran medida, de la adquisición de nuevas tecnologías. Por todo lo expuesto hasta ahora, una de las asignaturas más importantes en cualquier universidad es, sin duda, la de procesos de tecnología mecánica. El campo de la ingeniería y tecnología mecánica de fabricación está avanzando rápidamente, más allá de las demás disciplinas, impulsando el crecimiento económico. Este amplio tema, que resulta un reto, ha seguido incorporando nuevos conceptos a una velocidad creciente, haciendo de la fabricación mecánica un campo de estudio dinámico y excitante. Por lo tanto, para que un ingeniero industrial recién titulado, independientemente de su especialidad, pueda afrontar con éxito su primera experiencia profesional, debe tener un conocimiento suficiente de la interacción entre los parámetros del proceso de fabricación de piezas mecánicas y una comprensión cuidadosa de todos los procesos implicados para tener la capacidad para resolver cualquier problema relacionado con los sistemas de producción de una empresa. En consecuencia, los objetivos más importantes que se pretenden alcanzar en esta asignatura son: El aprendizaje por parte del estudiante de ingeniería, de los
conocimientos teóricos básicos sobre los procesos tecnológicos de fabricación mecánica tradicionales y sobre las técnicas más avanzadas. La descripción de los procesos, selección de procesos, equipamiento necesario, utillajes y herramientas. Enseñar la aplicación de las diferentes técnicas y procesos de fabricación. Introducir al estudiante de ingeniería en la gestión de los procesos de fabricación, relacionando el diseño de los productos con estos procesos.
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Además, el desarrollo tecnológico y su aplicación en la actividad empresarial representan, en el nuevo marco económico de la moneda única del que España forma parte, uno de los medios más importantes, si no el principal para acrecentar la competitividad de los productos y artículos fabricados. Las nuevas tecnologías van a tener gran importancia a la hora de determinar la competitividad industrial, incidiendo en todos los aspectos que forman parte de la actividad empresarial. La creación del mercado único, así como la competitividad a nivel internacional, ha situado a las empresas españolas en una situación compleja en las que sus ventajas competitivas a medio y largo plazo dependerán, en gran medida, de la adquisición de nuevas tecnologías. Por todo lo expuesto hasta ahora, una de las asignaturas más importantes en cualquier universidad es, sin duda, la de procesos de tecnología mecánica. El campo de la ingeniería y tecnología mecánica de fabricación está avanzando rápidamente, más allá de las demás disciplinas, impulsando el crecimiento económico. Este amplio tema, que resulta un reto, ha seguido incorporando nuevos conceptos a una velocidad creciente, haciendo de la fabricación mecánica un campo de estudio dinámico y excitante. Por lo tanto, para que un ingeniero industrial recién titulado, independientemente de su especialidad, pueda afrontar con éxito su primera experiencia profesional, debe tener un conocimiento suficiente de la interacción entre los parámetros del proceso de fabricación de piezas mecánicas y una comprensión cuidadosa de todos los procesos implicados para tener la capacidad para resolver cualquier problema relacionado con los sistemas de producción de una empresa. En consecuencia, los objetivos más importantes que se pretenden alcanzar en esta asignatura son: El aprendizaje por parte del estudiante de ingeniería, de los
conocimientos teóricos básicos sobre los procesos tecnológicos de fabricación mecánica tradicionales y sobre las técnicas más avanzadas. La descripción de los procesos, selección de procesos, equipamiento necesario, utillajes y herramientas. Enseñar la aplicación de las diferentes técnicas y procesos de fabricación. Introducir al estudiante de ingeniería en la gestión de los procesos de fabricación, relacionando el diseño de los productos con estos procesos.
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2. DEFINICIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE FABRICACIÓN MECÁNICA La tecnología mecánica puede definirse como la ciencia que estudia los procesos de transformación de la materia prima en productos industriales elaborados de mayor valor. Dichos procesos de transformación involucran varios procesos químicos y físicos mediante la utilización de varias máquinas, herramientas, energía y manufactura con el único fin de cambiar la geometría, el aspecto y las propiedades del material de partida (ver Fig. 1-1).
Figura 1-1: Tecnología de Fabricación Mecánica Los procesos de fabricación mecánica de un determinado producto comercial son sin duda, unos procesos muy complejos. No se trata sólo de fabricar un producto, sino de la integración de una amplia variedad de recursos y actividades: diseño, selección del material de fabricación, planificación y control de procesos, compras, marketing, ensamblaje y gestión para producir un producto deseado con un precio competitivo, en el tiempo deseado y con una calidad óptima. Es decir, la fabricación de un nuevo producto abarca desde el concepto original hasta la obtención del producto final, pasando por varias etapas intermedias (ver Fig. 1-1). Las diferentes actividades que intervienen en el proceso de fabricación deben respetar varias exigencias y orientarse según unos cuantos criterios, para conseguir la rentabilidad y la competitividad de las empresas en las actuales condiciones del mercado. Estos criterios pueden resumirse como se detalla a continuación: 1. Cumplimiento de las exigencias de diseño del producto a fabricar. 2. Utilización de procesos económicos y ecológicos. 3. Incorporación en cada etapa de la calidad y fiabilidad del producto. El grado de calidad debe ser adecuada a la utilización del producto.
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4. Flexibilización de los sistemas de producción para adecuarse a las necesidades del mercado. 5. Reducción de los tiempos de lanzamiento al mercado. 6. Disminución o eliminación de los gastos innecesarios. 7. Reducción de los tiempos de preparación de espera. 8. Consecución de los más altos niveles de calidad y productividad. 9. Automatización de los procesos de fabricación. 10. Incorporación constante de los nuevos desarrollos en materiales, sistemas de producción. 11. Integración por computadora del diseño, ingeniería, fabricación, logística, almacenamiento y distribución, clientes y proveedores, ventas y actividades de marketing, administración financiera y el control total de la empresa.
Figura 1- 2: Etapas de Fabricación de un Producto 2.1. Fase de Diseño y Concepto de Ingeniería Simultánea. Los criterios que pueden originar el lanzamiento de un nuevo producto al mercado pueden ser varios: exclusividad del producto, previsión de beneficios, resultados de un estudio de mercado, propuesta del equipo de ventas, relación calidad – precio del producto, demanda del cliente, mejora respecto a un producto existente,…etc.
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Una vez captada la idea del producto a fabricar, la empresa debe: Identificar las necesidades del Cliente. Establecer las características del producto. Analizar la competitividad del producto. Generar conceptos alternativos del producto. Analizar las alternativas y elegir el concepto que cumple mejor las exigencias. Analizar la viabilidad económica. Retocar y finalizar las especificaciones del producto. Elaborar el plano de desarrollo del proyecto. En este sentido, la misión de un ingeniero es convertir el concepto original del nuevo producto en una realidad industrial a través del tratamiento y posterior transformación de materias primas. Dado este aspecto de su profesión, el ingeniero debe concebir, implantar y gestionar los sistemas de producción, elegir maquinaria y procesos, organizar puestos de trabajo, ordenar la sucesión de las operaciones, gestionar la producción, controlar la calidad, controlar la constancia de la calidad,…etc. Por ello, el ingeniero debe tener un conocimiento global de la interacción entre los parámetros del proceso de fabricación y propiedades del material seleccionado, así como la economía general de la operación, para poder predecir las condiciones óptimas de procesado requeridas para producir piezas sanas con larga vida de servicio. Para hacer que una pieza tenga su correspondiente y adecuada respuesta en un mercado, cada vez más complicado, se necesita, como bien argumenta el Profesor Palacios de la Universidad del País Vasco, una mesa con varias patas: Conveniente selección del material y su calidad, Diseño adecuado y Oportunos procesos de fabricación (Ver Fig. 1-3). La simulación numérica ha demostrado ser una buena metodología para predecir los problemas que presentan los procesos, reduciendo el tiempo de diseño y los costes en el desarrollo de nuevos productos. Sin embargo, el éxito de cualquier simulación reside en la descripción adecuada de las propiedades mecánicas y físicas del material, así como la selección de los parámetros de control del proceso de fabricación. Por lo tanto, antes de sentarse ante el ordenador y efectuar simulaciones de forma masiva, es necesario reflexionar sobre el problema y considerar sus características más relevantes a fin de poder tomar las decisiones apropiadas.
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Figura 1- 3: Correlación entre Materia prima, Diseño y Fabricación de un producto Actualmente, el diseño se ha simplificado de manera considerable a través del uso del diseño CAD (Computer Aided Design) y las técnicas de ingeniería CAE (Computer Aided Engineering) y de manufactura CAM (Computer Aided Manufacturing).
2.2. Definición de la Ingeniería Simultánea Tradicionalmente, el diseño y la fabricación de los productos se hacían de manera secuencial. El diseñador analizaba los componentes y preparaba los planos detallados de las piezas y los enviaba al departamento de materiales para seleccionar el material adecuado e identificar sus características y propiedades mecánicas. Estas características se enviarían al departamento de fabricación donde se revisarían los planos y se seleccionarían los procesos de fabricación adecuados para una producción rentable. En esta etapa es cuando se presentan problemas de manufactura y se solicitan cambios en el diseño, que suelen ser son drásticos y redundan en un costo adicional considerable y en retrasos en la fabricación del producto. Una manera de superar dicho problema es consultar a los ingenieros de manufactura durante la etapa de diseño. El trabajo en equipo evita muchos de los problemas de manufactura. Estos equipos requieren herramientas de análisis para poder estudiar los diseños propuestos y evaluarlos desde el punto de vista de las dificultades y costos de manufactura.
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En la figura 1-4 se representa esquemáticamente la estrategia secuencial de trabajo. Siguiendo la misma, es claro que se desprecian recursos y tiempos.
Figura 1- 4: Representación Esquemática de una Estrategia Secuencial de Trabajo El paso de la ingeniería secuencial a la ingeniería simultanea debe su aparición a una aproximación cooperativa global dentro de la empresa que se concretiza mediante la creación de un grupo de trabajo. La importancia de una tal aproximación se ilustra con una metáfora; la del juego del puzzle que puede desarrollarse siguiendo dos estrategias. La primera, presenta similitudes con el modelo secuencial y consiste en que cada jugador juegue independientemente de los demás y reconstituye una parte de la imagen sin preocuparse de lo que hacen los demás jugadores. En algún momento, se llegará a un bloqueo, dado que es muy improbable que cada jugador disponga de todas las piezas correspondientes a la parte de la imagen que está reconstituyendo. La segunda estrategia radica en que cada jugador, antes de poner una pieza, examina las diferentes partes de la imagen a reconstituir por los demás jugadores e intenta de mejorar el resultado obtenido. De esta manera, se parte de un núcleo central sobre el cual todos lo jugadores trabajan sinérgicamente para llegar a reconstituir la imagen global. Así, mediante esta metáfora se puede definir la ingeniería simultánea. Por definición, la ingeniería simultánea o concurrente es la integración simultánea de las diferentes fases de diseño de un producto, con el fin de disminuir el tiempo y los costes de desarrollo. Por lo tanto, los factores capaces de afectar al producto final
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(Necesidad del Cliente, Viabilidad, Servicio Post-Venta, etc.) se integran en la etapa de diseño, y con esta aproximación multidisciplinaria se contribuye a la disminución de los cambios de orientación y los ajustes de diseño.
Figura 1- 5: Representación Esquemática de una Estrategia Simultánea de Trabajo en grupo
Figura 1- 6: Diferentes Fases de Desarrollo de un Proyecto en una Ingeniería Simultánea
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La ingeniería simultánea permite que el producto y el progreso del proceso de fabricación se conviertan en procesos simultáneos y pierdan su naturaleza secuencial tradicional (Fig. 1-5 y 1-6). Además, el diseño se facilita para mejorar los procesos de fabricación y el empleo en servicio del producto fabricado. Es importante mencionar que, para que una empresa esté integrada apropiadamente, toda la información requerida para la toma de decisiones debe estar disponible de manera continua en la forma en que sea necesaria. Si no es así, se introduce un cuello de botella en el sistema que puede imposibilitar el control integrado.
2.3. Importancia de la Ingeniería Simultánea o Concurrente (IC) Los problemas encontrados en la ingeniería secuencial se enviaban sistemáticamente a la oficina técnica que se encargaba de aportar las correcciones necesarias. No obstante, ésta no es la tarea principal de una oficina técnica, lo que resultaba en una cierta lentitud en cuanto a las modificaciones aportadas a los productos, así como un cierto inmovilismo durante del reenvío de la información a los departamentos. Se constataban entonces un alargamiento del tiempo del lanzamiento al mercado y las graves consecuencias que puede tener esta perdida de tiempo sobre la competitividad de la empresa. La única solución física que permite una reducción eficaz del “time to market” consiste en eliminar esta estructura lineal secuencial llevando todos los departamentos de la empresa a trabajar al mismo tiempo en un mismo proyecto. Dicho planteamiento tiene como resultado inmediato y a corto plazo limitar las modificaciones aportadas al producto y acortar los tiempos de lanzamiento del producto al mercado. Por otro lado, otra diferencia que se puede citar entre la ingeniería simultánea y la secuencial es la constitución de grupos de trabajo donde todos los departamentos se sientan alrededor de una misma mesa para elaborar de manera conjunta un proyecto de un futuro producto (Ver Fig. 1-7). Estos grupos de trabajo representan la columna vertebral de la ingeniería simultánea. La idea principal radica en llegar a una solución casi óptima en el mínimo de tiempo posible, recogiendo las opiniones tan diversas como variadas de los diferentes departamentos, desde la fase de concepción del producto a fabricar, implicando así a toda la empresa. De esta manera, los grupos de trabajo permiten la catálisis de la innovación, asegurando un nivel de calidad adecuado a las exigencias del mercado. Además, el hecho de trabajar en equipo crea una cierta dinámica en la empresa en cuanto a sentido de responsabilidad y motivación de cada uno.
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Figura 1- 7: Proceso de Desarrollo en una Fábrica Moderna de un Proyecto de un Futuro Producto Existen numerosos ejemplos de los beneficios de la ingeniería simultánea; en las figuras siguientes (Fig. 1-8 y 1-9) se exponen de manera esquemática estos beneficios y las diferencias existentes entre la ingeniería simultánea y la secuencial, ya que: ¡una imagen vale más que mil palabras!
Figura 1- 8: Comparación esquemática entre la ingeniería secuencial y la ingeniería simultánea
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Figura 1- 9: Repartición del tiempo durante la concepción del producto a fabricar 3. SELECCIÓN DE MATERIALES En las últimas décadas, el mundo de los procesos de fabricación ha experimentado un gran avance tecnológico y un gran número de nuevos materiales se han incorporado a los procesos de producción. Comparados con los materiales convencionales, estos nuevos materiales exhiben características mecánicas y microestructurales distintas. La experiencia adquirida a lo largo de muchos años de investigación demuestra que la utilización de los materiales convencionales queda limitada debido a la aparición en el mercado de nuevos productos que ofrecen cada día más y mejores prestaciones.
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Por lo tanto, al seleccionar un material, la pregunta esencial debe ser: ¿cuál es el material adecuado para el conjunto de requisitos que cumpla las propiedades de fabricación y utilización del producto a fabricar?. El material elegido debe tener un conjunto realista de propiedades, consensuado con el proveedor. Los factores a considerar para la selección de un material idóneo son varios y pueden ser: forma geométrica, propiedades mecánicas requeridas, importancia del factor metalúrgico en el diseño, costo y disponibilidad, consideraciones de manufactura, impacto ambiental durante su fabricación y desecho, estabilidad dimensional, apariencia y reciclado. En la figura 1-10 se detalla una descripción general de las diferentes propiedades que deben ser consideradas a la hora de elegir un material para un futuro producto industrial.
Figura 1- 10: Esquema de las diferentes propiedades de los materiales En raras ocasiones un material reúne una combinación ideal de propiedades, por lo que, muchas veces, habrá que reducir una en beneficio de otra. La consideración más convincente es, probablemente, el factor económico, porque un material puede tener un conjunto ideal de propiedades, pero resulte muy caro. Por ello, el ingeniero tiene que establecer un compromiso entre las propiedades del material y su coste, para elegir, en una amplia variedad de materiales hoy en día disponibles, el material que mejor resultados le proporcionará.
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3.1. Materiales Utilizados en los procesos de fabricación mecánica Normalmente los materiales sólidos se clasifican (según su uso, composición química y estructura atómica) en cuatro grupos: metales, cerámicos, polímeros y materiales compuestos (Ver Fig. 1-11). En la Fig. 1-12, se puede observar, a modo de ejemplo, una representación de la amplia variedad de materiales utilizados en la fabricación de un coche. Esta figura expone que el porcentaje de los metales ferrosos es muy alto comparado con los demás materiales.
Figura 1- 11: Los Cuatro Grupos Básicos de Materiales
Figura 1- 12: Ejemplo de la variedad de materiales metálicos y no metálicos utilizados en la fabricación de un coche.
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Aunque probablemente los materiales metálicos serán siempre los más importantes de los cuatros grupos, la importancia de los materiales no metálicos aumenta rápidamente y, dado los espectaculares progresos en el conocimiento y desarrollo de nuevos materiales no metálicos en los últimos años, cabe esperar que esa tendencia prosiga. En muchos casos, la elección entre un metal y un no metal la determina la consideración de las propiedades requeridas; cuando éstas las presenten ambos, el costo total se convierte en el factor determinante (Ver Fig. 1-13 y 1-14).
Figura 1- 13: Mapa de Propiedades de Materiales: Densidad – Modulo de Young
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Figura 1- 14: Mapa de Propiedades de Materiales: Coste – Resistencia 3.2. Importancia de los materiales metálicos Los materiales metálicos suelen dividirse en dos grupos principales (Fig. 1-15): ferrosos y no ferrosos. Los ferrosos presentan el hierro como constituyente principal. Por el contrario, en los metales no ferrosos intervienen metales diferentes al hierro.
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Figura 1- 15: Clasificación de los materiales metálicos
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La importancia tecnológica de los materiales metálicos se debe, entre otras cosas, a las propiedades siguientes: Alta Rigidez y Resistencia debido a la posibilidad de aleación con pequeñas cantidades de elementos de aleación. •
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Ductilidad; es una propiedad mecánica muy importante gracias a la cual un material puede deformarse plásticamente antes de romperse. La ductilidad facilita el conformado de los materiales en estado sólido mediante el desplazamiento de las dislocaciones. Un material que experimenta poca o ninguna deformación plástica se denomina frágil. Tenacidad, es decir, capacidad para absorber energía durante un impacto e impedir la propagación brutal de las grietas. Conductividad eléctrica: los metales son buenos conductores de electricidad debido al libre movimiento de electrones. Conductividad térmica: caracteriza la transferencia de calor a través del material. En los materiales metálicos los electrones son los responsables de dicha transferencia. A alta temperatura, bajo el efecto de la agitación térmica, lo electrones adquieren una energía cinética y migran hacia las zonas de más baja temperatura.
Además, la importancia de los materiales metálicos también se debe, en gran medida, a su abundancia y disponibilidad en la naturaleza así como a su bajo coste. El aluminio, por ejemplo, es un metal abundante en la corteza terrestre, con un contenido medio del 8% (ver Fig. 1-16) y es el tercer elemento más abundante después del oxígeno y silicio; en la actualidad, representa el elemento de mayor consumo de los metales no férreos. El hierro se considera también un metal abundante y representa casi el 5% de la corteza terrestre.
Figura 1- 16: Disponibilidad de los Metales en la Corteza terrestre
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La figura 1-16 nos permite percatarnos de las diferentes proporciones en las que existen los distintos metales en la corteza terrestre. Cabe destacar que la producción del acero es mayor que la de todos los demás metales juntos. Así, en el año 1996 la producción mundial fue de aproximadamente 750 millones de toneladas de acero y aproximadamente 19 millones de toneladas de aluminio. Algunos estudios confirman que casi el 90% de la producción mundial de metales corresponde a la producción de acero y fundición, mientras que el 10% restante corresponde a la producción de los demás metales. Según los datos del IISI (Internacional Iron and Steel Institute), el consumo mundial de acero ha incrementado de 763 millones de toneladas en el año 2000 a 884 millones de toneladas en el año 2003, y la previsión para el año 2004 es que el consumo mundial alcance los 936 millones de toneladas (Ver Fig. 1-17). Por ello, es importante señalar que la historia de la evolución tecnológica de las civilizaciones está relacionada, en gran medida, con el desarrollo de las aleaciones a base de hierro y al grado de facilidad con que se obtienen. Por lo tanto, la producción de acero representa un índice importante de la potencia técnica y económica de un país. En efecto, en cualquier país industrializado, si no se asegura el abastecimiento de acero en la cantidad necesaria, ninguna rama de la industria puede desarrollarse satisfactoriamente.
Figura 1- 17: Evolución de la producción y del consumo mundial del acero en la última década
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Otro aspecto importante que tiene el acero y que lo hace más atractivo frente a los demás materiales es su reciclabilidad. Como es bien sabido, los procesos de fabricación mecánica generan una gran cantidad de desperdicios que contribuye, junto con la maquinaria vieja, a la generación de chatarra. Esta última participa en un 40% en la producción mundial de acero. Sabiendo que esta producción alcanzó unos 963 millones de toneladas en el año 2003, se puede imaginar la importancia que tiene la chatarra, no sólo para la industria siderúrgica, sino para la conservación de los recursos naturales y la protección medio ambiental. Es, por ello, la industria recicladora por excelencia (Ver Fig. 1-18).
Figura 1- 18: Cantidad Reciclada de Algunos Materiales según datos de 1998 Además, debe tenerse en cuenta que el coste del metal es un factor que determina la posibilidad y conveniencia de su utilización. Considerando su precio promedio, el hierro y el acero son los menos costosos y están a gran distancia de los demás metales. En la tabla 1-1 se dan los costes aproximados de algunos metales.
Metal Acero Acero de Alta Resistencia Aleaciones de Aluminio Aleaciones de Titanio
Tensión de Fluencia (MPa)
3 Densidad (Kg/m )
Coste ($/Kg)
300 1000 400 1000
7800 7800 2700 4500
0,5 0,8 3,0 15
Tabla 1-1: Propiedades y costes de algunos materiales metálicos
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Debido a la gran importancia que tiene el acero en la industria, el primer capitulo de este libro se dedica a la descripción de las técnicas de obtención del acero a partir de las menas de hierro y a su tratamiento térmico.
4. SELECCIÓN DE LOS PROCESOS DE FABRICACIÓN Los procesos de fabricación mecánica pueden clasificarse en los grupos siguientes: 1) Procesos que cambian la forma del material, 2) Procesos que provocan desprendimiento de viruta, 3) Procesos para el acabado de las superficies, 4) Procesos para la unión, permanente o mecánica, de los materiales y 5) Procesos para mejorar las propiedades físicas de los materiales.
Figura 1- 19: Clasificación de los procesos de fabricación mecánica La selección de un proceso de fabricación requiere, evidentemente, el conocimiento fundamental de las propiedades de dicho proceso y sus limitaciones. Además, las propiedades del material a conformar y las especificaciones del diseño dictarán el tipo de proceso de fabricación que hay que utilizar. Algunos productos industriales se obtienen utilizando un solo proceso de fabricación, pero, en la mayoría de los casos, para fabricar un producto específico (un coche por ejemplo), varios procesos, ya sea por la complejidad del producto, o bien por razones económicas son necesarios (Ver
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Fig. 1-20). En este caso, hay que establecer una secuencia de operaciones de fabricación (Ver Fig. 1-21), elegir entre una amplia gama de procesos y decidir por razones técnicas y económicas cuáles son los más oportunos. Una secuencia típica de operaciones de fabricación consiste en: 1) un proceso básico, 2) uno o más secundarios, 3) operaciones para mejorar las propiedades físicas y 4) operaciones de acabado.
Figura 1- 20: Algunos procesos utilizados en la fabricación de la estructura de un coche
Figura 1- 21: Secuencia típica de operaciones de fabricación
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Los procesos básicos y secundarios son de conformado, los cuales alteran la geometría de la materia prima, estableciendo así la forma inicial de la parte que se diseña. Los procesos para el mejoramiento de propiedades incluyen varios tratamientos estructurales como pueden ser, por ejemplo, los tratamientos térmicos. El último tipo de procesos son las operaciones de acabado que, por lo general, proporcionan un recubrimiento en la superficie de la pieza fabricada. Antes del tratamiento térmico, la parte se deja con un tamaño más grande de lo ideal para permitir la distorsión. Tras el endurecimiento, se reducen el tamaño y la tolerancia finales, mediante acabado por rectificado. Los criterios y consideraciones que hay que tomar en cuenta a la hora de establecer la secuencia de operaciones incluyen: Exigencias de diseño: la secuencia de operaciones debe satisfacer las
dimensiones, tolerancias, acabados superficiales y otras especificaciones establecidas por el diseño de las piezas a fabricar. Exigencias de calidad. Cantidad de piezas a fabricar y tasa de producción. Utilización del material. Flexibilidad. Seguridad. Costo mínimo.
Debido a la naturaleza cuatrimestral de esta asignatura y a la falta de tiempo, se estudiaran solamente tres procesos básicos de conformado: 1) Conformación por fusión y moldeo, 2) Conformación por deformación plástica y 3) Conformación por arranque de viruta. La conformación por fusión y moldeo consiste en colar (vaciar) un metal fundido en un molde hueco (cuya cavidad reproduce la forma deseada de la pieza), y dejarlo solidificar en dicho molde. En este tipo de conformado los factores importantes a considerar son: el flujo del metal fundido en la cavidad del molde, solidificación y enfriamiento del metal en el molde y la influencia del tipo de material del molde. Las características más importantes de este proceso son: posibilidad de utilización tanto para piezas complejas como sencillas, el metal puede depositarse solamente donde se requiere (ahorro de material, sobre todo si es costoso) y rentabilidad para bajos volúmenes de producción. La conformación por deformación plástica se realiza sometiendo la pieza inicial, en frío o en caliente, a unas fuerzas que exceden la resistencia del material a la deformación. Para llevar a cabo este proceso el material inicial debe ser lo suficientemente dúctil para evitar la rotura del mismo durante el conformado. Este
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tipo de proceso incluye operaciones tales como: forjado, laminación, extrusión y conformado de chapa. El objetivo primordial de los procesos de deformación plástica es cambiar la forma geométrica del producto deformado. El secundario objetivo es mejorar o controlar las propiedades de este producto (afino de grano, endurecimiento por deformación) y optimizarlas para las condiciones de servicio propuestas. Otra finalidad muy importante de estos procesos es, también, destruir y afinar la estructura columnar o dendrítica presente en los metales y aleaciones fundidas. La conformación por arranque de viruta, habitualmente denominado Procesos de Mecanizado, se caracteriza por producir, mediante eliminación del material sobrante en una pieza preformada, cambios de: formas, dimensiones y calidad superficial. Debido a la pérdida de material en forma de viruta, los procesos de conformación por arranque de viruta se realizan, generalmente, después de otros procesos de conformación como forja, moldeo, laminación, etc. procurando utilizar el material de partida con una forma y dimensiones próximas a la definitiva. Los otros procesos crean la forma general de la pieza y el mecanizado produce la geometría final, las dimensiones y el acabado. Los procesos más importantes de este tipo de conformado son: el torneado, el fresado y el taladrado. Dichos procesos se llevan a cabo mediante una herramienta de corte y con la ayuda de las máquinas-herramientas.
5. SISTEMAS DE PRODUCCIÓN En un proceso da fabricación mecánica de un determinado producto, el coste global viene determinado por: materias primas utilizadas, compra de máquinas, mano de obra, costo de marketing, almacenamiento, financiamiento, planificación y administración, control de calidad, y pago de impuestos. No obstante, los costes principales son la maquinaria y la materia prima. Los costes de planificación, de administración, marketing y control de calidad se destinan a aumentar la eficiencia, y no son muy altos en comparación con el coste final del producto terminado. Tal como se representa en la Fig. 1-22, el costo de fabricación representa aproximadamente un 40% del precio de venta de un producto. Para poder incrementar el margen de beneficio es necesario minimizar los costes de fabricación. Por ello, hay que analizar el diseño de la pieza a fabricar optimizando su tamaño y su forma geométrica y determinando si el material seleccionado es el menos costoso pero, simultáneamente, el que mejor cumple con el conjunto de las propiedades y características deseadas. Por lo tanto, hay que procurar siempre que la producción sea económica para lograr una mayor competitividad. Para alcanzar dicho objetivo, se deberán tener en consideración los siguientes criterios: El concepto original del producto a fabricar debe ser lo más simple posible y que cumpla con los requerimientos técnicos y exigencias del
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cliente. De nada servirá tener una estructura operativa y administrativa de gran calidad si los productos están mal diseñados. Material adecuado. Los productos deben cumplir con varias especificaciones dependiendo de su área e utilización, o de las necesidades de los clientes. Puede darse el caso, por ejemplo, que el diseño sea perfecto pero el material utilizado no sea el adecuado. Selección o diseño de los procesos de producción. En los sistemas de fabricación existen varias maneras de producir o manufacturar los productos. Así, la selección de los procesos de fabricación se convierte en una tarea fundamental para lograr una producción económica.
Figura 1- 22: Costes generales de fabricación de un Producto. Hasta los primeros años de la década de los cincuenta, la mayor parte de los procesos de fabricación se realizaba mediante sistemas de fabricación convencionales, basadas en una de las dos características siguientes: 1.
Capacidad de producir una variedad de diversos productos, pero con un coste muy alto.
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Capacidad de producir volúmenes muy grandes de un producto con un coste muy bajo, pero muy inflexible (Cadenas Tránsfer con máquinas específicas).
La creciente demanda de productos con formas geométricas cada vez más complicadas dentro de unas tolerancias muy estrechas, la reducción en los tiempos de fabricación así como la reducción en los tiempos de lanzamientos al mercado de los nuevos productos, obligó a las empresas industriales a buscar fórmulas que les permitan atender y potenciar su competitividad en todos los frentes. Uno de estos frentes es el de la actuación directa e indirecta sobre la propia actividad industrial, a través de la incorporación de equipos y tecnologías y, cada vez más, mediante la intervención sobre los sistemas de organización de la producción industrial. Puede apuntarse que la necesidad de mejorar la productividad (se puede definir como el uso óptimo de todos los recursos: materiales, energía, capital, mano de obra y tecnología) y de reducir los costes está conduciendo a las empresas a una nueva concepción del trabajo. Actualmente, las actividades industriales están inmersas en una etapa de transición, que supone pasar de una organización tradicional del trabajo a un tipo de organización nueva más flexible.
5.1. Definición de la Fabricación Flexible La fabricación flexible es un sistema que permite la producción automática y simultánea de una familia de piezas diferentes, minimizando y, en algunos casos, eliminando los costes adicionales por el cambio de tipo fabricación, y proporcionando por tanto una productividad y unos costes unitarios reservados hasta ahora a la fabricación en grandes series. La flexibilidad y la productividad se consiguen mediante: Operaciones programadas. Cambio automático de piezas y herramientas. Transporte automático entre máquinas. Control de tolerancias y de calidad. Gestión informática de máquina, piezas, materiales y herramientas.
Los sistemas de fabricación flexibles FMS (Flexible Manufacturing Systems), consisten en un nuevo modo de concebir y organizar la producción, que ha sido posible gracias al avance de las técnicas de información, el control numérico, las técnicas de medición y la robótica. La característica principal del sistema es su flexibilidad, entendida como la posibilidad de manejar y reajustar automáticamente las máquinas-herramienta y las
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piezas, mediante control por computadora, posibilitando elaborar una amplia gama de ellas. Dicha flexibilidad permite resolver el problema de fabricar piezas de gran diversidad en pequeños lotes. La tecnología de producción controlada por computadora comprende un conjunto de diferentes técnicas cuyo elemento distintivo se caracteriza porque la producción física realizada por máquinas y equipo es controlada por sistemas en los cuales los componentes microelectrónicos se aplican al manejo de funciones de procesamiento de información. Estas tecnologías han logrado, en un lapso que comienza a mediados de la década de los setenta, pasar de la innovación radical a una amplia difusión y madurez. En ese contexto, el rasgo más notable de la estrategia innovadora de las empresas industriales es la introducción de máquinas-herramienta de control numérico computarizado (CNC) y sistemas CAD/CAM, con el objeto de mantener una competitividad de sus productos en el mercado, lo que representa un cambio técnico de considerables proporciones en la empresa.
5.2. El compromiso productividad/flexibilidad Se puede distinguir entre varios sistemas flexibles que representan cada uno una forma de compromiso entre dos cualidades que es imposible de conciliar totalmente: de una parte, el grado de automatización que traduce su productividad y, de otra, la flexibilidad, es decir, la capacidad de afrontar los imperativos de producciones variadas. De esta manera, ambas cualidades se pueden representar en un grafico productividad/flexibilidad respecto a dos referencias extremas, Máquinas especiales, y en particular, las máquinas tránsfer que tienen un alto nivel de automatización y una productividad muy alta, pero con una flexibilidad casi nula. Máquinas herramientas convencionales no automatizadas y, por consiguiente, poco productivas, pero fácilmente adaptables a fabricaciones variadas mediante intervenciones humanas, respectando el límite de capacidad de cada máquina (dimensiones, potencia, etc.). La máquina de control numérico constituye siempre un nivel básico para la automatización programable de un proceso de producción.
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5.3. Clasificación de sistemas flexibles La automatización flexible del proceso de fabricación puede tomar varias formas en la práctica, pero todas tienen en común el hecho de utilizar máquinas de control numérico. No obstante, dichas formas se distinguen por: El número de máquinas asociadas. Las características de producción a las cuales los sistemas están destinados. El modo de organización y pilotaje de las máquinas. Los equipos de almacenamiento-mantenimiento que les rodean. Observando la grafica de productividad/flexibilidad de la Fig. 1-23 y partiendo de sistemas más productivos hacia sistemas más flexibles, se puede identificar tres grandes categorías de sistemas: talleres flexibles especializados, talleres flexibles complejos y células flexibles.
5.3.1. Talleres flexibles especializados o líneas Tránsfer Son talleres destinados a la fabricación de variantes dimensionales de piezas de una misma familia (pieza con misma función y morfología). Estas piezas constituyen la denominada familia de piezas cerradas. A esta familia corresponde una gama única, es decir una sucesión de operaciones bien determinada. De hecho, las piezas pasan sucesivamente por las diferentes máquinas del taller dispuestas en línea y en el orden de intervención. Las máquinas pueden ser máquinas estándar o especiales, pero programables. El pilotaje del taller debe ser muy fácil puesto que su estructura es lineal y su organización es de tipo secuencial para el encaminamiento de las piezas, sin posibilidad de afrontar grandes problemas. En este caso, el volumen de producción en este caso es grande pero inflexible. El número de máquinas depende la familia de piezas fabricadas, pero, generalmente, suele ser entre cuatro y diez unidades.
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Fig. 1-23: Clasificación de Sistemas de Fabricación 5.3.2. Talleres Flexibles Complejos Los talleres flexibles complejos disponen de varias (de cinco a veinte) máquinas de control numérico especiales o estándar, asociadas a sistemas de carga y descarga de piezas totalmente o parcialmente automatizados. Este tipo de talleres están destinados a producciones de medio volumen y flexibilidad y de piezas variadas en cuanto a forma y dimensión, constituyendo una familia denominada de piezas abiertas. Dichos talleres se caracterizan por un volumen de producción menor que el anterior pero con cierto grado de flexibilidad.
5.3.3 Células Flexibles Comparadas con los talleres flexibles, las células flexibles son sistemas menos complejos, dado que reagrupan un número pequeño de máquinas de control numérico (dos o tres). Al igual que sucede en los talleres flexibles, se les asocian a estas máquinas diversos equipos que aseguran, de manera completamente
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automática, las tareas de almacenamiento, cambio de piezas y herramientas y carga y descarga de piezas brutas y acabadas. Las máquinas que constituyen las células flexibles son asociadas las unas a las otras en función del conjunto de operaciones a realizar, independientemente del tipo de familia de piezas a fabricar. Al contrario, en los talleres flexibles, esta asociación se encuentra relacionada con las operaciones específicas de una familia de piezas, ya sean familias de piezas cerradas o abiertas. Por lo tanto, se puede afirmar que una célula flexible se caracteriza por el tipo de operaciones que permite realizar. Todas las células flexibles se definen por dos características: un control común de las operaciones de las máquinas y un manejo también común de materiales. El control de las operaciones se realiza mediante una unidad central de procesamiento (ver Fig. 1-24).
Fig. 1-24: Célula Flexible
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5.4. Ventajas e Inconvenientes de Sistemas Flexibles Debido a su situación de compromiso, los talleres flexibles presentan toda una serie de ventajas e inconvenientes. En la mayoría de los casos, en función de la situación de la empresa y los objetivos que pretende alcanzar, se pueden omitir los inconvenientes y aprovecharse de las ventajas. Las ventajas de un taller flexible son numerosas, tales como: adaptación rápida a las variaciones del mercado, mejor calidad alcanzada por la automatización del proceso, satisfacción del cliente debido a la reducción de los tiempos de entrega, reducción de existencias, mejor control de producción poniendo a disposición la información a tiempo real, máximo rendimiento en las máquinas, reducción del número de herramientas, reducción en la mano de obra directa debido a la automatización, posibilidad de enlaces informáticos con los sistemas de diseño y gestión de la producción asistida por ordenador, aumento del potencial de producción, reducción de los gastos generales,… etc. Por otro lado, respecto a los inconvenientes, es importante citar que a mayor flexibilidad mayor inversión (riesgo financiero). Además, también se debe mencionar la complejidad técnica, la necesidad de personal cualificado y incidencias aleatorias graves.
Fig. 1-25: Ejemplo de un Sistema de Fabricación Flexible (FMS)
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6.
MANUFACTURA INTEGRADA POR COMPUTADORA (COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING)
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CIM
Actualmente, una empresa no puede garantizar su competitividad simplemente adecuándose a los vaivenes del mercado, sino que debe hacerlo con un proceso de planificación a largo plazo que cree como objetivo una estrategia que asegure el éxito económico. Debido a los cambios que han sufrido los mercados internacionales en los últimos años, mantener la competitividad se ha convertido en una cuestión primordial para las empresas. Mejorar la calidad de los productos, ampliar la gama de los mismos, reducir los plazos de suministro y mejorar su cumplimiento, son medidas estratégicas que las empresas pueden seguir para acercarse a este objetivo. En este sentido la manufactura integrada por computadora (CIM) parece ser un importante camino a seguir. CIM incluye todas las actividades, desde la percepción de la necesidad de un producto, a la concepción, diseño y desarrollo del mismo. Además, CIM engloba también la producción, el marketing y el soporte del producto en uso. Toda acción envuelta en estas actividades usa datos, alfabéticos, gráficos o numéricos. El computador, hoy en día, es la herramienta más importante en la manipulación de datos y ofrece la posibilidad de integrar todas las operaciones de manufactura. Por ello, en las empresas modernas, la circulación de la información se convierte en un factor determinante de producción. Es importante destacar que el CIM cumplirá sus objetivos solamente si la tecnología instalada es acompañada por recursos humanos y estructuras organizacionales apropiadas. Por consiguiente, es necesario considerar la totalidad de la empresa, comenzando por el programa de producción, pasando por la organización fija, la organización de desarrollo, los distintos ámbitos que intervienen en la producción, las instalaciones (situación de la fábrica, máquinas, sistemas de transporte e información) y acabando por el personal. Los motivos principales que justificarían la implantación de una manufactura integrada por computadora en una empresa son: una capacidad de dar respuestas rápidas a variaciones en la demanda del mercado y los variantes de un producto, un uso óptimo de los recursos de la empresa, un mejor control de la producción y gestión de todo el proceso de fabricación, un aumento de la flexibilidad, una reducción de costes, una reducción de requerimientos de almacenamiento y una mejora de la calidad de los productos, debido a la poca intervención del factor humano. En resumen, CIM significa que los métodos tradicionales para la organización del trabajo serán reemplazados por nuevas estructuras organizacionales, caracterizadas por sistemas flexibles, integrados y abiertos, así como por una administración horizontal, énfasis en auto administración y un ambiente activo de autoaprendizaje.
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A continuación, se exponen las definiciones de los principales ámbitos funcionales de un sistema CIM: - CNC (Computer Numerical Control ), o Control Numérico por Computador, cuya función básica es controlar la operación de una máquina herramienta a través de una serie de instrucciones codificadas que representan el camino que seguirá la herramienta, la profundidad de corte, el cambio de herramientas, etc. asociados con la operación. El control computacional ha cambiado la tecnología de la manufactura más que ningún otro adelanto por sí solo, dado que introdujo el concepto de automatización.
- CAD (Computer Aided Design), o Diseño Asistido por Computadora, es un concepto global que resume todas las actividades en las que se utiliza la informática de forma directa o indirecta, dentro del marco de las actividades de desarrollo y diseño. En un sentido más estricto, el presente diseño se refiere a la generación gráfica-interactiva y a la manipulación de una representación digital de un objeto, por ejemplo, mediante la preparación de un dibujo bidimensional o la creación de un modelo tridimensional. - CAE (Computer Aided Engineering ), o Ingeniería Asistida por Computador, es la tecnología que analiza un diseño y simula su operación (analizando y predeciendo características mecánicas, térmicas, y de fatiga, tanto de flujo de fluidos como de transferencia de calor, ruido, vibración y dureza) para determinar su comportamiento de acuerdo a las especificaciones de diseño y sus capacidades. Actualmente, CAE se constituye por dos tecnologías separadas: una es la aplicada a la mecánica y la otra a la electrónica. Ambas realizan extensos análisis respecto a las leyes físicas, así como a los estándares de la industria. El CAE mecánico, en particular, incluye un análisis por elementos finitos (FEA, finite element analysis) para evaluar las características estructurales de una parte y programas avanzados de cinemática con el fin de estudiar los complejos movimientos de algunos mecanismos. El CAE electrónico, asimismo, permite verificar los diseños antes de fabricarlos, simular su uso y otros análisis técnicos para evitar perder tiempo y dinero.
- CAM (Computer Aided Manufacturing ), o Fabricación Asistida por Computadora, es el control y supervisión técnica, asistidos por computadora, de los medios de producción empleados en la fabricación de los objetos. El concepto se refiere al control directo de las instalaciones técnicas de proceso, medios de producción, equipos de manipulación y sistemas de transporte y almacén. - DNC (Distributed Numerical Control ), o Control Numérico Directo, se trata de un concepto que abarca la unión de un computador a varias máquinas CNC con el
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objetivo de controlarlas y recibir también información de ellas, para así poder manejar de manera más optima la administración de la manufactura. Esta información puede abarcar conteo de piezas, tiempo de desuso de la máquina o información sobre el control de calidad.
- PLC (Programmable Logic Controllers ), o Controlador Lógico Programable, son elementos de control bastante importantes en un ambiente de automatización. Los PLC son computadores específicamente diseñados para resistir a condiciones adversas de temperatura, suciedad y ruido eléctrico. Además, están preparados para ser programados como relais de escala lógica, de tal manera que, incluso un electricista es capaz de programarlos y mantenerlos. La gran aceptación de estos controladores provocó mejoras en su diseño, agregándoseles varias funciones y subrutinas que los hacen cada vez más parecidos a los computadores. - CAI (Computer Aided Industrie ), o Industria Asistida por Computadora, comprende, además del CIM, la organización de la empresa asistida por ordenador (CAO: Computer Aided Organization ). - PPC (Planification and Production Control ), o Planificación y Control de la Producción, es la utilización de sistemas asistidos por ordenador para organizar la planificación, el control y el seguimiento de las distintas fases de producción, desde la tramitación de la oferta hasta la expedición, en los aspectos de cantidad, plaza y capacidad.
- CAPP ( Compuer Aided Process Planning ), o Planificación de Procesos Asistida por Computadora, es la designación de la informatización aplicada a la preparación de los planes y procesos de trabajo. Se trata de una planificación basada en los trabajos de diseño convencional o establecido mediante CAD, para obtener datos relativos a las instrucciones de fabricación de piezas y montaje. - GT (Group Technology ), o Tecnología de Grupo, es un método para abordar el problema de reorganizar un sistema y que proporciona una distribución de tipo celular o de tipo flexible de aquellas máquinas que intervienen en la fabricación de piezas similares. Mediante dicho método se estandarizan los diseños de las piezas y los planos de proceso, y permite que las familias de piezas se puedan producir de manera eficaz y rentable.
- JIT (Just In Time), o Justo a Tiempo, con esta idea se pretende que los suministros se entreguen justo a tiempo para ser utilizados y las piezas se produzcan para ser entregadas al cliente. Puntualmente, esto implica una reducción importante de inventarios y, con ello disminuyen también los costes de mantenimiento de inventarios. Sin embargo, para que este sistema tenga éxito debe, existir una estrecha
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relación con los proveedores y además, éstos deben entregar un producto de calidad porque el JIT no permite perder tiempo en revisar las partes entrantes. En el caso que los proveedores poseen una tecnología similar, se evita una notable burocracia al hacer pedidos, pues las órdenes van directamente de computador a computador. Si se aplica el sistema correctamente, el JIT puede significar reducciones de hasta un 75% en el inventario y lograr así mejoras equivalentes en la calidad del producto.
Fig. 1-26: Algunos sub-sistemas del CIM En un futuro próximo, las tendencias generales que condicionarán la evolución de la industria seguirán siendo la globalización de las relaciones económicas, políticas y sociales, y la intensa aplicación de los desarrollos tecnológicos, entre los cuales destacan las tecnologías de información y comunicación que están irrumpiendo en todos los ámbitos de la vida económica y social, así como en las transformaciones empresariales y en la organización del trabajo. Ante este contexto, las empresas deben buscar métodos eficientes capaces de transformar un sistema de organización jerárquico y rígido en esquemas más flexibles y abiertos, dando lugar a la denominada “empresa flexible”, donde la producción ocurre con muy poca o ninguna intervención humana directa. Por consiguiente, el papel humano quedará restringido a la supervisión, al mantenimiento preventivo y a la actualización de las máquinas. La implantación de las tecnologías modernas en las empresas requiere habilidades técnicas y económicas. En este ámbito, el capital humano se convierte en un factor
