Resumen Del Libro Fundamento De Manufactura Moderna, Materiales, Procesos Y Sistemas Introducción La tecnología que disfrutamos disfrutamos en el presente no estaría disponible para la sociedad si no pudieran manufacturarse, es por ello que es importante en lo tecnológico, económico e histórico. La tecnología está inmersa inmersa en diversas áreas de nuestra vida diaria, directa e indirectamente. Es la aplicación de la ciencia para proporcionar a la sociedad y a sus miembros aquellos objetos que necesitan o desean. Por otra parte para la economía la manufactura es un medio importante con el que una nación crea bienestar material. El siguiente reporte de lectura está basado en los primeros 10 capítulos del libro “Fundamento de Manufactura Moderna, Materiales, Procesos y Sistemas”, un
estudio sobre los procesos de fabricación, los materiales, su estructura y como estos inciden en la manufactura moderna. Capítulo I Introducción y panorama de la manufactura La palabra manufactura se deriva de las palabras latinas manus (mano) y factus (hacer): La combinación de ambos significa “hecho a mano”; esta expresión define
de forma adecuada los métodos manuales que se utilizaban cuando se acuñó esta expresión. La historia de la manufactura puede dividirse en dos partes: 1) El descubrimiento y
la invención por parte del hombre, de los materiales y los procesos para fabricar cosas y 2) el desarrollo de los sistemas de producción. * Aspectos de los sistemas de manufactura. * La expresión sistemas de manufactura se refiere a las formas de organizar a las personas y a los equipos de la producción se lleve a cabo con más eficiencia. * División del trabajo: Es un principio que consiste en dividir el trabajo total en tareas, y hacer que los trabajadores individuales se conviertan en especialistas haciendo una sola. * Definición de manufactura. La manufactura es la transformación de los materiales en artículos de valor mayor por medio de una o más operaciones de procesamiento o ensamblado. La clave es que la manufactura agrega valor al material cambiando su forma o propiedades, o mediante combinar materiales distintos también alterados. Industrias manufactureras: Son empresas y organizaciones que producen o suministran bienes y servicios. Planta de manufactura: Consiste en un conjunto de sistemas, procesos y personas diseñados para transformar cierto rango limitado de materiales en productos de valor incrementado. La capacidad de manufactura se refiere a las limitaciones técnicas y físicas de una empresa de manufactura y de cada una de sus plantas. Es posible identificar varias dimensiones de dicha capacidad. 1) Capacidad tecnología de procesos, 2) Tamaño físico y peso del producto, y 3) Capacidad de producción. * Los materiales en la manufactura
La mayor parte de los materiales para ingeniería se clasifican en una de tres categorías básicas. 1) Metales 2) Cerámica 3) Polímeros 4) Compuesto * Procesos de manufactura Los procesos de manufacturas se dividen en dos tipos básicos: 1) Las operaciones de los procesos: Esta hacen que un material de trabajo pase de un estado de acabado u otro más avanzado que está más cerca del producto final que se desea. 2) Las del ensamblado: Esta une dos o más componentes a fin de crear una entidad nueva, llamada ensamble, sub ensamble o algún otro término que se refiere al proceso de unión. * Operaciones de procesamiento Una operación de procesamiento utiliza energía para modificar la forma, las propiedades físicas o la apariencia de una pieza, a fin de agregar valor material. Si distinguen tres categorías de operaciones de procesamiento: 1) Operaciones de formado 2) Operaciones de mejoramiento de una propiedad 3) Operaciones de procesamiento de una superficie * Operaciones de ensamblado Es el segundo tipo básico de operaciones de manufactura, en el que dos o mas piezas separadas se unen para formar una entidad nueva. Las operaciones de manufactura se llevan a cabo con el uso de maquinarias,
herramientas y personas. Para operar con eficacia, una empresa de manufactura debe tener sistemas que le permitan llevar a cabo con eficiencia su tipo de producción. Los sistemas de producción consisten en personas, equipos y procedimientos diseñados para combinar materiales y procesos que constituyen las operaciones de manufactura de la compañía. Los sistemas de producción se dividen en dos categorías: 1) Instalaciones de producción 2) Sistema de apoyo a la producción Las instalaciones de producción consisten en el equipo de producción y el manejo de materiales. Capítulo II La naturaleza de los materiales La comprensión de los materiales es fundamental en el estudio de los procesos de manufactura. En este capítulo se estudia la estructura atómica de la materia, y los enlaces entre los átomos y las moléculas, y la manera en que estos se organizan por si solo en dos formas estructurales: cristalina y no cristalina. * Estructura Atómica Podríamos definir el átomo como el conjunto de protones y electrones que giran en torno a un núcleo de carga neutra. Pero lo más importante que debemos conocer son aquellas propiedades y cualidades que poseen los átomos. Definamos algunos Conceptos Atómicos. Electrones. Posee carga negativa igual al del protón pero de signo contrario. Cuando se le da
valor en UMA (masa) se le atribuye el valor CERO. Protones. Es una partícula subatómica con un valor de carga igual al del electrón pero contraria, que actúa en el átomo. ION. Es todo átomo cargado eléctricamente y se forma cuando un átomo gana o cede uno o más electrones. Anión. Se forma cuando un átomo gana electrones quedando cargado negativamente. Catión. Se forma cuando un átomo pierde electrones quedando cargado positivamente. Molécula. Es una partícula formada por dos o más átomos unidos entre sí por enlaces químicos. Enlace químico: Conjunto de fuerzas que mantienen unidos a los átomos, iones y moléculas cuando forman distintas agrupaciones estables. * Materiales en la Ingeniería Los materiales es todo aquello de lo cual están creadas las cosas y estos se podrían clasificar en: Materiales poliméricos Materiales cerámicos Materiales metálicos Materiales compuestos
* Propiedades mecánicas de los materiales Los materiales están Sujetos a diferentes tipos de propiedades, las cuales hacen que unos se diferencien de otro. Entre esas propiedades voy a mencionar algunas. Relación Esfuerzo – Deformación. Podrimos destacar que existe una fórmula para saber cómo sacar la deformación por medio del modulo de Young (la relación entre el esfuerzo y la deformación), este modulo es diferente para cada material. Dureza Se denomina dureza a la resistencia a ser rayado que ofrece la superficie lisa de un mineral, y refleja, de alguna manera, su resistencia a la abrasión. Mediante el estudio de la dureza de un mineral se evalúa, en parte, la estructura atómica del mismo, pues es la expresión de su enlace más débil. Efecto de la temperatura Temperatura, propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio térmico (véase Termodinámica). El concepto de temperatura se deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos y de la observación de que el suministro de calor a un cuerpo conlleva un aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusión o ebullición. En el caso de dos cuerpos con temperaturas diferentes, el calor fluye del más caliente al más frío hasta que sus temperaturas sean idénticas y se alcance el equilibrio térmico (véase Transferencia de calor). Por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se refieren a conceptos diferentes: la temperatura es una propiedad de un cuerpo y el calor es un flujo de energía entre dos cuerpos a diferentes temperaturas. Visco elasticidad Un polímero amorfo se comporta como un vidrio a baja temperatura, como un sólido gomo elástico a temperaturas intermedias (por encima de la temperatura de transición vítrea) y como un liquido viscoso a temperaturas elevadas. Frente a
deformaciones relativamente pequeñas, el comportamiento mecánico a bajas temperaturas es elástico y cumple la ley de Hooke. A temperaturas muy elevadas prevalece el comportamiento viscoso o liquido elástico. A temperaturas intermedias aparece un sólido, como de goma, que presenta características mecánicas intermedias entre estos dos extremos: esta condición se llama visco elasticidad. La deformación elástica es instantánea; esto significa que la deformación total ocurre en el mismo instante que se aplica el esfuerzo (la deformación es independiente del tiempo). Además, al dejar de aplicar el esfuerzo la deformación se recupera totalmente: la probeta adquiere las dimensiones originales. Un comportamiento visco elástico intermedio, origina una deformación instantánea seguida de una deformación viscosa dependiente del mismo, una forma de inelasticidad. Capítulo III Propiedades mecánicas de los materiales Las propiedades mecánicas de un material determinan su comportamiento cuando se le sujeta a esfuerzos mecánicos. * Relaciones esfuerzo-deformación Existen tres tipos de esfuerzo estáticos a los que se sujetan los materiales: tensión, compresión y cortante. La prueba de tención es el procedimiento más común para estudiar la relación esfuerzo deformación, en particular para los metales. El esfuerzo deformación de ingeniería en una prueba de tensión que se define en relación con el área y longitud originales del espécimen de prueba. Son tres las formas básicas de relación esfuerzo-deformación que describe el comportamiento de casi todos los materiales sólidos.
* Perfectamente elástico: El comportamiento de este material queda definido por completo por su rigidez, indicada por el modulo de elasticidad. * Elástico y perfectamente plástico: Este material tiene una rigidez definida por elasticidad. * Elástico y endurecimiento por deformación: Este material obedece a la ley de Hooke en la región elástica. * Pruebas de dureza Prueba de dureza de Brinell: Se usa mucho para medir la dureza de metales y no metales de dureza baja a media. Prueba de dureza de Rokwell: Recibe su nombre en honor al metalurgista que la creo a principios de la década de 1920. Es conveniente de usar, y varias mejoras que se le hicieron a lo largo de los años la adaptaron a una variedad de materiales. Prueba de dureza de vickers: Esta prueba fue creada a principios de la década de 1920, utiliza un indentador de forma piramidal hecho de diamante. Se basa en el principio de que las impresiones dejadas por el son similares en cuanto a su geometría sin importar la carga que se emplee. Prueba de dureza de Knoop: La prueba de Knoop, creada en 1939, usa un indentador de diamante de forma piramidal, pero la pirámide tiene una razón longitud-ancho alrededor de 7,1. * Propiedades de los fluidos Los fluidos se comportan de manera muy diferente que los solidos, un fluido fluye y adopta la forma de el envase que lo contiene. Un solido no fluye tiene una forma geométrica que es independiente del medio. Aunque el flujo es una característica que define a los fluidos, la tendencia a fluir varia de uno a otro. La vizcocidad es la propiedad que determina que un fluido fluya. Para muchos metales la viscosidad en el estado fundido se compara con la del
agua a temperatura ambiente. Ciertos procesos de manufactura en especial la fundición y la soldadura autógena, se llevan a cabo sobre metales en estado fundido, y el éxito de esas operaciones requiere vizcodiad baja para que el metal fundido llene la cavidad del molde o suelde la costura antes de solidificarse. Capítulo IV Propiedades físicas de los materiales El termino propiedades físicas es usado comúnmente para definir el comportamiento de los materiales en respuestas a fuerzas físicas distintas de las mecánicas. Las propiedades físicas son importantes en la manufactura porque es frecuente que influyan en el rendimiento del proceso. * Propiedades volumétricas y de fusión Estas propiedades se relacionan con el volumen de los sólidos y la manera en que las afecta la temperatura. Densidad: En la ingeniería la densidad de un material es su peso por unidad de volumen. La densidad de un material es función de la temperatura. LA relación general es que la densidad disminuye con el aumento de la temperatura. * Propiedades térmicas Las propiedades usuales de interés son el calor especifico y la conductividad térmica. El calor especifico de un material se define como la cantidad de energía calorífica requerida para incrementar la temperatura de una unidad de masa del material en un grado . La conducción es un proceso de fundamental de transferencia de calor. Incluye la transferencia de energía térmica dentro de un material de molecula a molecula solo por medio de movimientos térmicos.
La conductividad térmica de una sustancia es su capacidad para transferir calor a través de si misma por este mecanismo físico. Las propiedades térmicas juegan un papel importante en la manufactura debido a que en muchos de sus procesos es común que se generen calor. Además de la transferencia de calor de un material, también existe la transferencia de masa. La difusión de masa involucra el movimiento de átomos o moléculas dentro de un material o través de un material o través de una frontera entre dos materiales en contacto. * Procesos electroquímicos La electroquímica es el campo de la ciencia que tiene que ver con la relación entre electricidad y los cambios químicos, y con la conversión de las energías eléctricas. * Propiedades físicas de los materiales Ductilidad. Es la habilidad que permite que un material sea deformado hasta una longitud considerable sin que se rompa. Los materiales seleccionados para ser alambre deben ser bastante dúctiles. Elasticidad. Es la habilidad que tiene un material que ha sido deformado de alguna manera para regresar a su estado y tamaño original, cuando se a la acción que ha producido la deformación. Cuando el material se deforma permanentemente de tal manera que no regresa a su estado original se dice que ha pasado a su límite elástico. Maleabilidad. Esta propiedad que permite que un material que se deforme mediante martilleo, rolado o prensado, sin romperse. La maleabilidad, se aumenta normalmente cuando el material está caliente. Plasticidad.
Es la habilidad de un material para adoptar nuevas formas bajo presión y de tener esa nueva forma. Tenacidad. Es la propiedad de resistencia a la rotura por un esfuerzo a la tensión. Esta propiedad de gran importancia para los diseñadores se expresa en librasfuerza por pulgada cuadrada. Fragilidad. Es lo opuesto de la dureza; los materiales frágiles se fracturan por golpes pero puede resistir presiones constantes, esta propiedad es algunas veces llamada fragilidad en caliente. Conductibilidad. Es la propiedad natural de los cuerpos, que consiste en transmitir el calor o la electricidad. Densidad. La densidad de un cuerpo se define como la razón de su masa a su volumen. Dureza. Es la propiedad de resistir el desgaste o corte. Resistencia: Péndulo de Charmn (prueba) esta propiedad de resistencia a la rotura de carga de golpes repetidos tales como martillazos. El calentamiento normalmente debilita la resistencia. Capitulo V Dimensiones, tolerancias y superficies * Dimensiones El espacio-tiempo en el que vivimos parece de cuatro dimensiones. Tradicionalmente, se separa en tres dimensiones espaciales y una dimensión
temporal (y en la mayoría de los casos es razonable y práctico). Podemos movernos hacia arriba o hacia abajo, hacia el norte o sur, este u oeste, y los movimientos en cualquier dirección puede expresarse en términos de estos tres movimientos. Un movimiento hacia abajo es equivalente a un movimiento hacia arriba de forma negativa. Un movimiento norte-oeste es simplemente una combinación de un movimiento hacia el norte y de un movimiento hacia el oeste. * Tolerancia de fabricación La Tolerancia Es el espacio permisible, en la dimensión nominal o el valor especificado de una pieza manufacturada. El propósito de una tolerancia es especificar un margen para las imperfecciones en la manufactura de una parte o un componente. La tolerancia puede ser especificada como un factor o porcentaje de un valor nominal, una máxima desviación de un valor nominal, un rango explícito de valores permitidos, ser especificado por una nota o un estándar publicado con esta información, o ser expresado por la precisión del número del valor nominal. La tolerancia es diferente del factor de seguridad, pero un adecuado factor de seguridad tomara en cuenta tolerancias relevantes además de otras posibles variaciones. * Fricción Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción entre dos superficies en contacto a la fuerza que se opone al movimiento de una superficie sobre la otra (fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del movimiento (fuerza de fricción estática). Se genera debido a las imperfecciones, especialmente microscópicas, entre las superficies en contacto. Estas imperfecciones hacen que la fuerza entre ambas superficies no sea perfectamente
perpendicular a éstas, sino que forma un ángulo φ con la normal (el ángulo de
rozamiento). * Superficies Una superficie es aquello que tiene contacto con un barreno que al sujetarse con un objeto tal como una pieza manufacturada. Las superficies tienen importancia tecnológica y comercial por varias razones diferentes para distintas aplicaciones de los productos. 1- Razones estéticas, las superficies que son tersas y sin marcas y manchas es más probable que causen una impresión favorable en el consumidor. 2- Las superficies afectan la seguridad. 3- La fricción y el uso dependen de las características de la superficie. 4- Las superficies afectan las propiedades mecánicas y físicas. 5- El ensamblaje de las piezas se ve afectado por su superficie 6- Las superficies suaves constituyen contactos eléctricos mejores. Capítulo VI Materiales de la ingeniería * Metales Los metales son la materia más importantes de la ingeniería. Un metal es una categoría de materiales que se caracterizan generalmente por tener propiedades de ductibilidad, maleabilidad, lustre y conductividad eléctrica y térmica elevadas. La importancia tecnológica y comercial de los metales se debe a las propiedades generales siguientes, que poseen virtualmente todos los metales comunes: * Rigidez y resistencia elevada * Tenacidad * Conductividad eléctrica buena * Conductividad térmica Acero: El acero es una aleación de hierro que tiene un contenido de carbono que
varia entre el 0.02% y 2.11%. Cromo: Mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste y dureza en caliente. Manganeso: Mejora la resistencia y dureza del acero. Molibdeno: Incrementa la tenacidad y dureza en caliente. Níquel: Mejora la resistencia y la tenacidad Capítulo VII Cerámicos Un material cerámico es un compuesto inorgánico que consiste en un metal o semimetal y uno o más metales. Los compuestos cerámicos se caracterizan por tener enlaces covalentes e iónicos. Estos son mas fuertes que los enlaces metálicos de los metales, lo que ayuda a la dureza y rigidez alta pero ductibilidad baja de los materiales. * Nuevos materiales cerámicos Se refiere a materiales cerámicos creados de forma sintética durante las décadas recientes, y por medio de mejoras en las técnicas de procesamiento que dan un control mayor sobre la estructura y propiedades de los cerámicos. Los nuevos cerámicos se organizan en categorías según su composición química: oxido, carburos y nitruros. * Óxidos cerámicos: El oxido más importante de los nuevos cerámicos es la alúmina. Aunque también se le estudia en el contexto de los cerámicos tradicionales, hoy día la alúmina se produce en forma sintética a partir de la bauxita, con un método de horno eléctrico. * Carburos: Los carburo cerámico incluyen los carbonos de silicio, tungsteno, titanio, tantalio, y cromo. Aunque es un cerámico hecho por el hombre los métodos de su producción se desarrollaron hace un siglo y por eso generalmente se le incluye en el grupo de los cerámicos tradicionales.
Capítulo VIII Polímeros De los tres tipos básicos de materiales los polímeros son al mismo tiempo los más nuevos y los más viejos conocidos por el ser humano. Los polímeros forman a los organismos vivos y a todos los procesos vitales sobre la tierra. Un polímero es un compuesto que consiste en moléculas de cadena larga, cada una de las cuales está hecha de unidades que se repiten y conectan entre sí. En una sola molécula de polímeros puede haber miles, incluso millones de unidades. * Polimerización Como proceso químico la síntesis de los polímeros ocurre por cualquiera de dos métodos: 1- Polimerización por adicción 2- Polimerización por etapa Polimerización por adicción. En este proceso, que ejemplifica el polietileno, se induce a los enlaces dobles existentes entre los átomos de carbono de los monómeros d etileno para que se abran de modo que se unan con otras moléculas de monómero. Polimerización por etapas. En esta forma de polimerización, se hace reaccionar a dos monómeros para formar una molécula nueva del compuesto que se desea obtener. * Estructura de polímeros y copolimeros Existen diferencias estructurales entre las moléculas de los polímeros, incluso entre las del mismo polímero. 1- Estereorregularidad: Tiene que ver con el arreglo espacial de los átomos y sus grupos en las unidades repetitivas de la molécula del polímero. 2- Ramificación y cruzamiento: Esta es la estructura característica de un polímero termoplástico.
3- Copolimeros: son polímeros cuya moléculas están hechas de unidades repetidas de dos tipos diferentes. También es posible sintetizar polímeros ternarios o termo polímeros, que consiste en meros d tres tipos diferente. Las propiedades de los polímeros con frecuencia cambian para bien si se les combina con aditivos. Los aditivos alteran la estructura molecular del polímero, o bien agregan una segunda fase al plástico, y lo transforman en un material compuesto. Los aditivos se clasifican según su función como: 1- Rellenos 2- Plastificadores 3- Colorantes 4- Lubricantes 5- Retardante de flama 6- Agentes de entrecruzamiento 7- Absolvedores de luz ultravioleta 8- Antioxidantes Capitulo IX Materiales compuestos Además de los metales, cerámicos y polímeros, es posible distinguir una cuarta categoría de materiales, los compuestos. Un material compuesto es un sistema de materiales compuestos por dos o más fases distintas físicamente cuya combinación produce propiedades agregadas diferentes de la de sus componentes. El interés tecnológico y comercial de los materiales compuestos proviene del hecho de que sus propiedades no solo son distintas de su componente sino que con frecuencia son mucho mejores.
El sistema de clasificación para materiales compuestos se basa en la fase de la matriz. 1- Compuesto de matriz metálica 2- Compuesto de matriz cerámica 3- Compuesto de matriz de polímero Las propiedades de un material compuesto están determinadas por tres factores: 1- Los materiales que se emplean como fase constituyente en el compuesto. 2- Formas geométricas de los constituyentes y estructura resultante del sistema compuesto. 3- La manera en que las fases interactúan una con otra. Los materiales compuestos reciben su forma por medio de muchas tecnologías diferentes de procesamiento. Las dos fases por lo común se producen por separado antes de combinarse en la forma de la pieza compuesta. Los métodos de procesamiento para la fase incrustada dependen de la forma. Capitulo X Fundamento de la fundición de metales La fundición es un proceso en el que el metal derretido fluye por gravedad u otra fuerza hacia un molde en el que se solidifica con la forma de la cavidad de este. El termino fundición también se aplica al objeto que se fabrica por medio de este proceso. La fundición incluye la obtención tanto de lingotes como de la forma. Existe una variedad de métodos de fundición de formas, lo que lo hace uno de los procesos de manufactura más versátiles. Entre sus posibilidades y ventajas están las siguientes. * La fundición se utiliza para crear formas complejas para las piezas incluidas externas e internas. * Algunos procesos de fundición son capaces de producir piezas de forma neta. * La fundición se emplea para producir piezas muy grandes
* El proceso de fundición se lleva a cabo en cualquier metal que pueda calentarse hasta llegar al estado líquido. * Algunos métodos de fundición son muy apropiados para la producción en masa. Para llevar a cabo una operación de fundido, el metal debe calentarse a una temperatura algo mas elevada que su punto de fusión y luego verterse a la cavidad del molde para que se solidifique. La solidificación involucra la transformación del metal derretido de nuevo al estado sólido. El proceso de solidificación difiere en función de si el metal es un elemento puro o una aleación.
