Universidades Tecnolgicas y Politcnicas

Universidad politcnica de Chiapas

Ingeniera Mecatrnica

Procesos de Manufactura

Apuntes de Manufactura

Inst: Hector U. Rincon Mayorga

email: rmhumx@gmail.com

21 de mayo de 2014

ndice general

Glosario 7

Introduccin 9

1. Manufactura 11

1.1. Manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2. Sistemas de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2.1. LM (Lean Manufacturing/ Manufactura esbelta) . . . . . . . . . . . . 16

1.2.2. CAD/CAM (Computer-Aided Design/Computer-Aided Manufacturing) 17

1.2.3. FMS (Flexible Manufacturing Systems). . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2.4. JIT (Just-in-Time/ justo a tiempo) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.2.5. Manufactura holnica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.2.6. Sistemas expertos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.3. Tipos de produccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3.1. Produccin por orden de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3.2. Produccin por cantidad o por lote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.3.3. Produccin en masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1

1.4. Cantidad de produccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.5. Capacidad de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.5.1. Capacidad tecnolgica de proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.5.2. Tamao fsico y peso del producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.5.3. Capacidad de produccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.6. Tipos de productos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.7. Parmetros de un producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.8. Clculos de produccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2. Materiales 27

2.1. Materiales en la manufactura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.1.1. Clasificacin de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.1.2. Metales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.1.3. Polmeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.1.4. Cermicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.1.5. Compuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.2. Estructura de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.2.1. Enlaces primarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.2.2. Enlaces secundarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2.3. Estructuras cristalina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.2.4. Estructuras de los metales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.2.5. Defectos en la estructura cristalina de los materiales . . . . . . . . . . 40

2

2.2.6. Tamao de grano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.2.7. Estructura de los cermicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.2.8. Estructura de los polmeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.2.9. Estructura de los semiconductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.3. Propiedades mecnicas de los materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.3.1. Propiedades de la tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3

ndice de figuras

1.1. Etapas de un producto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.2. Manufactura en su estudio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3. Sistema de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.1. Materiales en la manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2. Celda Unitaria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.3. Siete sistemas cristalinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.4. Formas de sistemas cristalinos (2D) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.5. Catorce redes cristalinas (redes de Bravais) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.6. Estructura BCC (cubica centrada en el cuerpo) . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.7. Estructura FCC (cubica centrada en la cara) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.8. Esctructura HC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.9. Estructura del ClCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.10. Estructura del NaCl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.11. Estructura del CaF2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.12. Estructura de la Slice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.13. Estructura de los polmeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4

2.14. Cadenas polimricas formando un tipo de tejido manomtrico . . . . . . . . 45

2.15. Formula y forma de la estructura polimrica del polietileno . . . . . . . . . 46

2.16. Formas que toman las cadenas polimricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.17. Estructura del GaAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.18. Estructura del ZnS y el Diamante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.19. Espcimen para ensayo en tensin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5

ndice de tablas

1.1. Actividades y tendencias de la manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1. El carcter asociado con los tipos fundamentales de enlace de los materiales

para ingeniera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6

Glosario

Alotropa Caracterstica de un material capaz de existir con ms de una

estructura cristalina, dependiendo de la temperatura y presin.

Anin Ion cargado negativamente, producido cuando una tomo,

usualmente es un no-metal acepta uno o mas electrones.

Anisotropa Caracterstica de tener propiedades con valores distintos

en diferentes direcciones.

Catin Ion cargado positivamente, producido cuando un tomo,

por lo general un metal cede sus electrones de valencia.

Celda unitaria Subdivisin de la red que aun conserva las caractersticas

generas de toda la red.

Ductilidad Es la medida de deformacin plstica que sufre un material

antes de romperse.

Estructura Es un arreglo regular repetible de los tomos en un material.

cristalina Se refiere al tamao, la forma y la organizacin atmica

dentro de la red.

Fase Es cada una de las partes macroscpicas de una composicin

qumica y propiedades fsicas homogneas de un sistema.

Los sistemas monofsicos se denominan homogneos,

y los que estn formados por varias fases se denominan

mezclas o sistemas heterogneos.

Isotropa Caractersticas de poseer los mismos valores de las propiedades

en todas las direcciones.

Mdulo de Es un parmetro que caracteriza el comportamiento de un

Elasticidad material elstico, segn la direccin en la que se aplica una fuerza.

7

Mdulo de En ingeniera, la rigidez es la capacidad de un objeto slido

rigidez o elemento estructural para soportar esfuerzos sin adquirir grandes

deformaciones o desplazamientos. Mide la facilidad o dificultad

para deformar por cizalladura (o esfuerzo cortante) un material

determinado.

Monocristal Caracterstica de la red cristalina continua y que no esta

interrumpida por bordes o lmites de grano.

Nucleacin Etapa inicial de un cambio de estado en una regin pequea ,

en los metales es la formacin inicial de cristales.

Parmetros Describen el tamao y la forma de la celda unitaria,

de red incluye las dimensiones de los costados de la celda unitaria

y los ngulos de sus costados.

Polimorfismo Alotropa, tiene ms de una estructura cristalina

Recristalizacin Es un proceso en el cual dentro de cierto rango de temperatura

de forman granos equiaxiales y libres de esfuerzos.

Temperatura de Es la temperatura a la que ocurre la recristalizacin completa

recristalizacin total dentro de aproximadamente una hora.

Tenacidad Se define como la cantidad de energa por unidad de

volumen que disipa un material antes de la fractura.

8

Introduccin

Histricamente el desarrollo y evaluacin de las sociedades est ntimamente relacionado

con la capacidad para producir y conformar los materiales necesarios para satisfacer sus

necesidades.

Las primeras civilizaciones se conocen con el nombre del material que alcanz mayor grado

de desarrollo (edad de piedra, bronce, hierro, etc), el hombre primitivo solo tuvo un acceso

a un nmero muy limitado de materiales que encontr en la naturaleza, tal como; la piedra,

madera, arcilla, cuero y otros pocos ms. Con el paso del tiempo el hombre descubri tcnicas

para producir nuevos materiales, adems descubri que las propiedades de un material se

podan modificar por tratamiento trmico o por adicin de otras substancias.

Los beneficios de la civilizacin que hoy disfrutamos se deben esencialmente a la mejora

de la calidad de los productos disponibles para nosotros. La mejora en la calidad de los bienes

se puede lograr con un diseo adecuado que tenga en cuenta el requisito funcional, as como

sus aspectos de fabricacin. El proceso de diseo implica darle el tratamiento adecuado del

proceso de manufactura, lo que as sera lo ideal. Esto garantizara un mejor producto de

ponerse a disposicin a un costo econmico.

La manufactura est involucrada en la transformacin de las materias primas a los pro-

ductos finales que se utilizarn para algn propsito. En la poca actual han aumentado

las demandas en el rendimiento del producto a travs de propiedades exticas deseables,

tales como la resistencia a altas temperaturas, mayores velocidades de operacin y cargas

adicionales. Esto a su vez requerira una variedad de nuevos materiales y su procesamiento

asociado. Asimismo, las condiciones de trabajo ms exigentes que se desean en las opera-

ciones industriales modernas hacen grandes demandas en la industria manufacturera.

9

An ms, la economa de las operaciones de fabricacin es una consideracin muy im-

portante, para ser viable en el ambiente moderno, un producto tiene que tener un precio

competitivo, adems de tener un atractivo funcional y esttico. Por lo tanto, es necesario

para el ingeniero dar una idea adecuada para tomar en cuenta diversos aspectos de la fabri-

cacin.

El proceso de manufactura es un tema muy fundamental, ya que es de inters no slo para

los ingenieros mecnicos, sino tambin prcticamente a todas las disciplinas de la ingeniera.

Es as porque la ingeniera en su conjunto es para el suministro de diversos materiales para

el consumo humano. Para diversos productos tales como maquinaria de la planta necesaria

para la industria qumica, civil, elctrica, electrnica, textil, etc, los procesos de manufactura

forman un ingrediente vital.

10

Captulo 1

Manufactura

Lamanufactura hoy en da se puede definir en dos formas: de forma tecnolgica y econmi-

ca. La primera estriba en la aplicacin de los sistemas qumicos y fsicos que alteran la

geometra, las propiedades o el aspecto de un determinado material para elaborar partes o

productos terminados. Los procesos involucran una combinacin de mquinas, herramientas,

energa y trabajo manual.

Econmicamente la manufactura es la transformacin de materiales en artculos de mayor

valor, a travs de una o ms operaciones o procesos de ensamble. Se agrega ms valor al

material original cambiando su forma y sus propiedades.

Se deriva de las palabra manus = manos y factus = hacer, que literalmente significa

hecho a mano. Sin embargo en el sentido ms amplio manufactura significa hacer bienes o

artculos por la mano y/o maquinaria.

La Ingeniera de manufactura o ingeniera de produccin, selecciona y coordina procesos

y equipos a utilizar o supervisar y gestionar su uso, para producir y ensamblar mquinas o

mecanismos.

En general manufactura es el trmino econmico que se le da por hacer bienes y servicios

disponibles para satisfacer las necesidades humanas. De hecho manufactura involucra una

serie de actividades y operaciones tales como:

11

Tabla 1.1: Actividades y tendencias de la manufactura

- Diseo de producto y desarrollo - Satisfacer los requisitos de diseo,

- Maquinaria y herramientas especificaciones y normas.

- Compras - Un producto se debe crear con los

- Seleccin de materiales mtodos ms econmicos

- Control de la produccin y amigables con el ambiente.

- Servicios de soporte Demandas y - Calidad en cada etapa.

- Procesos de planeacin Tendencias - Sistemas flexibles.

- Control de inventario - Evaluacin continua en los mtodos

- Aseguramiento de la calidad de produccin integracin,

- Embarque desarrollos continuos en materiales.

- Marketing - La manufactura con miras en un

- Servicio al cliente, etc. sistema global e interaccin entre s.

- Retroalimentacin con la mejora continua.

- En busca en mayores niveles de produccin.

Produccin o manufactura es un enlace crtico en el ciclo de diseo, el cual comprende

desde su concepcin de la idea hasta el xito del producto en el mercado (ver figura 1.1 ).

12

Reconocimientodelaidea

Requerimientosyespecificaciones

Estudiodefactibilidad

Sntesisdeldiseocreativo

Desarrolloydiseopreliminar

Pruebayconstruccindelprototipo

Diseoadetalle

Diseoparaproduccin

Lanzamientodelproducto

Retroalimentacin

Retroalimentacin

Retroalimentacin

Retroalimentacin

Figura 1.1: Etapas de un producto

1.1. Manufactura

Hoy en da el concepto de manufactura va ms all, totaliza y engloba una serie de pro-

cedimientos y actividades, que nicamente los procesos de manufactura como tal; esto es que

coexisten dentro de la manufactura otros procedimientos ms y son: manejo de materiales,

inspeccin y pruebas y coordinacin y control por mencionar algunos (ver figura 1.2 ).

Manejo de materiales

Indispensable el desplazamiento de los materiales y materias primas para su procesamien-

to posterior, en ocasiones pasan ms tiempo en trnsito que el tiempo para su procesamiento.

Se desea que su manejo se realice con la menor brevedad posible y de manera eficiente.

Inspeccin y pruebas

13

Actividades orientadas al control de calidad, con la consigna de que los materiales proce-

sados cumplan con las especificaciones y diseos planteados. Las pruebas buscan que la

funcionalidad el producto sea la especificada y requerida y que opere de manera correcta.

Coordinacin y control

Coordinar y controlar todas las operaciones de planta, su administracin y toda actividad

en ella. Incluye el uso efectivo de todos los recursos; mano de obra, inventarios, calidad,

mantenimiento, costos de operacin, calendarizacin, manejo ptimo de las instalaciones (

lay out).

PROCESOSDEMANUFACTURA

OPERACIONESDEPROCESO

OPERACIONESDEENSAMBLE

PROCESOSDEMEJORADESUSPROPIEDADES

PROCESOSDEFORMADO

OPERACIONESDEPROCESAMIENTODE

SUPERFICIES

PROCESOSDEUNIONPERMANENTE

ENSAMBLEMECNICO

FUNDICION,MOLDEADO,

PROCESADODEPARTICULAR,PROCESOSDEDEFORMACION,REMOCIONDEMATERIAL.

TRATAMIENTOSTERMICOS

LIMPIEZAYTRATAMIENTODE

SUPERFICIES,RECUBRIMIENTOSYPROCESOSDEDEPOSICION.

SOLDADURATERMICA,SALDADOFUERTEY

BLANDO,PEGADOCONADHESIVOS.

SUJETADORESROSCADOS,METODOS

DEUNIONPERMANENTE.

MANUFACTURA

MANEJODEMATERIALES

INSPECCINYPRUEBAS

COORDINACINYCONTROL

METODOSESTADISTICOS

CONFIABILIDADDE

PROCESOS

AUTOMATIZACIONYSISTEMASDE

CONTROL

Figura 1.2: Manufactura en su estudio

Procesos de manufactura

Los procesos de manufactura pueden dividirse en dos tipos bsicos, y son: operaciones

de proceso y operaciones de ensamble.

14

Las operaciones de proceso transforman un material de trabajo de una etapa a otra ms

avanzada. Esta le agrega valor al cambiar la geometra, las propiedades o la apariencia del

material inicial. Por lo general las operaciones de proceso se ejecutan sobre partes discretas

de trabajo por algunas de ellas tambin a artculos ensamblados.

Las operaciones de ensamble un dos o ms componentes para crear una entidad llamada

ensamble, subensamble o cualquier otra manera que se refiera al proceso de unir.

1.2. Sistemas de manufactura

Cualquier sistema que produce productos o servicios tiles en general, se llama un sistema

de produccin. La produccin puede ser considerada como un proceso de transformacin o

un conjunto de elementos de entrada por el que se aumenta la utilidad de los bienes o ser-

vicios. Por ejemplo, la entrada podra ser partes y el producto montado sirve como salida.

Los procesos de fabricacin se recogen juntos para formar un sistema de fabricacin. El sis-

tema de fabricacin toma entradas y produce para el cliente. Un sistema de fabricacin se

representa como un sistema de entrada-salida. Aqu los elementos de entrada se someten a

la transformacin tecnolgica para producir un conjunto de elementos de salida. La trans-

formacin tecnolgica debe ser optimizado con referencia a una funcin objetivo que podra

ser costo, productividad o producto (ver figura 1.3 ).

Transformacin Tecnolgica

Entradas Salidas

Retroalimentacin

ProductosCapitalHombresMaterialesMaquinaria Tecnologa Energa Informacin

Objetivo

Figura 1.3: Sistema de manufactura

15

Algunos principales sistemas modernos de manufactura, que incorporan desarrollos de

alta tecnologa, procedimientos, metodologas estructuradas, etc. son:

1.2.1. LM (Lean Manufacturing/ Manufactura esbelta)

La manufactura esbelta se conoce tambin como manufactura gil se define como una

aproximacin o acercamiento sistemtico para identificar y eliminar el desperdicio en cada

rea de manufactura, mediante mejoras continuas. Se busca optimizar los procesos para

maximizar el valor agregado.

Este enfoque se concentra totalmente en el flujo del proceso y no solo en la mejora de una

o ms operaciones individuales. Desperdicios comunes a considerar y que incluso se reducen

o eliminan en la manufactura esbelta, se incluyen algunos aspectos:

Asistencia de los mtodos de produccin Justo a tiempo para eliminar inventario,ya que los inventarios representan costos, tiende a defectos y reduce la capacidad de respuesta

a demandas cambiantes del mercado.

Eliminacin del tiempo de espera que puede ser originado por cargas no equilibradasde trabajo, mantenimiento no planeado y problemas de calidad. Por lo tanto, al eliminar todo

lo anterior maximiza la eficiencia de los trabajadores en todo momento.

Eliminacin de procesos y pasos no necesarios, debido a que representan costos.

Minimizacin o eliminacin del transporte de productos, debido a que representanun actividad que no agrega valor.

Realizacin de estudios de tiempos y movimientos para identificar trabajadoresineficientes o movimientos innecesarios de productos.

Eliminacin de defectos de partes.

16

1.2.2. CAD/CAM (Computer-Aided Design/Computer-AidedMan-

ufacturing)

Esta combinacin permite transferir la informacin de la etapa del diseo a la etapa de

planeacin de la manufactura sin necesidad de introducir manualmente los datos sobre la

geometra de la parte otra vez. Comprende el uso de computadoras para auxiliar en todas

las fases de manufactura de un producto. Los sistemas CAM almacenan y procesan la base

de datos desarrollada durante el CAD con los datos e instrucciones necesarios para operar y

controlar maquinaria de produccin, equipo de manejo de materiales y ensayos e inspeccin

automatizada para alcanza la calidad del producto.,

Los sistemas CAD/CAM es su capacidad de describir trayectorias de las herramientas

de corte en las operaciones de maquinado. Las instrucciones (programa) se generan en la

computadora y el programador las modifica para cambiar determinados parmetros impor-

tantes.

Estos sistemas emplean automatizaciones robustas, as como los mtodos de su apli-

cacin, se basan en instrucciones codificadas en formas de nmeros y letras denominadas

control numrico (NC). Sistemas de control, el movimiento y manejo de materiales, Robots

industriales, un diseo de sistema de ensamble: mtodos y tcnicas para el ensamble del

producto.

1.2.3. FMS (Flexible Manufacturing Systems).

Integra todos los elementos importantes de la manufactura en un sistema altamente

automatizado, consta generalmente de varias celdas de manufactura, con un robot industrial,

un sistema automatizado de manejo de materiales y todo conectado por computadora.

Los elementos bsicos de un sistema de manufactura flexible son:

1. Estaciones de trabajo y celdas

2. Manejo y transporte automatizado de materiales y partes

3. Sistemas de control

17

1.2.4. JIT (Just-in-Time/ justo a tiempo)

Este mtodo esta formulado para eliminar desperdicios de materiales, maquinas, mano

de obra e inventario a lo largo del sistema de manufactura. Este mtodo se conoce como

sistema de traccin ( jale) , lo que significa que las partes que se producen por rdenes y la

produccin coincide con el pedido de ensamble final de productos. No existen reservas y la

cantidad de produccin ideal es uno, tambin este mtodo se conoce como inventario cero,

produccin sin reserva o calendarizacin sobre pedido.

El JIT requiere la entrega puntual de todos los suministros y partes de las fuentes ex-

ternas, por lo que se reduce significativamente los inventarios, adems que la implantacin

del JIT requiere que todos los aspectos de las operaciones de manufactura se supervisen y

revisen de tal forma que se eliminen todas las operaciones y los recursos no tengan valor

agregado.

Este concepto tiene los siguientes objetivos:

Recibir suministros justos a tiempo para uso.

Producir partes justo a tiempo para convertirlas en ensambles.

Produccin de subensambles justo a tiempo para que sean ensamblados en produc-tos terminados.

Producir y entregar productos terminados justo a tiempo para su venta.

1.2.5. Manufactura holnica

Estos sistemas de manufactura se basan en la comunicacin rpida y efectiva. Estos

sistemas se pueden reconfigurar de manera dinmica en jerarquas operativas para producir

en forma ptima los productos deseados, ya sea con holones o con elementos de que adicionan

o eliminan segn se requiera.

Un holn de manufactura es un bloque de construccin autnomo y cooperativo de un

sistema de manufactura para la produccin, el almacenamiento y transferencia de objetos o

18

informacin. Un holn tambin puede constar de otros holones que proporcionan el proce-

samiento, informacion e interfaces humanes necesarias para el mundo exterior.

La manufactura holnica es un concepto que describe una organizacin nica de unidades

de manufactura. El vocablo holnica proviene del griego holos = conjunto y el sufijo on =

parte de. De ah que cada componente en un sistema de manufactura holnica sea al mismo

tiempo una entidad independiente o un todo y una parte subordinada de una organizacin

jerrquica.

Un ejemplo es el plug and play en algunos sistemas operativos de computadoras de oficina,

es decir que los componentes de los equipos se integran de manera continua al sistema.

1.2.6. Sistemas expertos

Un sistema experto se define como un programa inteligente para computadora, que tiene

la capacidad de resolver problemas difciles de la vida real mediante procedimientos basados

en el conocimiento y la inferencia es un sistema basado en el conocimiento.

La construccin de sistemas expertos para resolver problemas complejos de diseo y

manufactura encontrados requiere:

De una gran cantidad de conocimientos

Mecanismos para manipular esos conocimientos a fin de formular soluciones.

La inteligencia artificial tiene un efecto importante en el diseo, la automatizacin y la

economa general de las operaciones de manufactura. Una rama de la inteligencia artificial

conocida como redes neuronales, intenta ganar alguna capacidad mediante la imitacin por

computadora del cerebro humano.

Los sistemas expertos utilizan un lenguaje y su procesamiento, as como elementos trans-

ductores que se asemejan a los sentidos humanos.

Estos sistemas pueden tomar decisiones en el campo de la manufactura, por ejemplo: si

al maquinar un material, el sistema puede precisar que acabado superficial tendr la pieza,

la fuerza de corte, la velocidad del maquinado, la emisin acstica en el corte, entre otras.

19

1.3. Tipos de produccin

Hay varios tipos de produccin y principalmente son: produccin por orden de trabajo,

produccin por lote o cantidad y produccin en masa.

1.3.1. Produccin por orden de trabajo

Consiste en la produccin a pequea escala para satisfacer las necesidades de losclientes individuales.

Se lleva a cabo en pequeas fbricas y es apta para diferentes trabajos.

Tiene una gran flexibilidad para la operacin y tiene capacidad de economa tcnica,pero no tiene economa comercial y financiera.

Deben ser continuas y cuidadosas las acciones dado al desarrollo del proceso encuestin, ya que es ms econmico de manipulacin, lo que implica un considerado nmero

de tipos de operaciones.

Los trabajadores deben tener habilidad, entrenamiento y muy buena capacidad enlas operaciones.

1.3.2. Produccin por cantidad o por lote

Este es un tipo comn de produccin

Requiere muy buena capacidad de gestin para lograr un plan econmico en laproduccin.

El tamao del lote ms econmico est determinado por la demanda de las ventas, la

entrega y los requisitos de las acciones.

El trabajo se producen en un lote o en cierta cantidad y esto vara entre la produc-cin por orden de trabajo y la produccin en masa.

20

Este tipo se puede tener en una empresa de tamao medio en el equipo. No sepuede comprar en una gran escala, para atender un mercado local y el de la demanda local

de la regin.

1.3.3. Produccin en masa

Significa una produccin continua y sin perder tiempo

Requiere un buen plan de sitio, distribucin de la fbrica y la maquinaria especial.

Procesamiento y montaje son cuidadosamente controlados por tiempo, a veces auna fraccin de segundo.

La inspeccin debe ser muy rgida, el costo de mecanizado ser muy bajo debido ala menor stock involucrado, un buen control de la produccin y una mayor produccin de

las mquinas.

Las desventajas de este tipo de produccin son: no es sustituible fcilmente a otrotipo de produccin, ms costoso para el cambio y la prdida de tiempo involucrado en el

perodo de transicin (set-up).

1.4. Cantidad de produccin

La cantidad de productos hechos por una fbrica incluye significativamente sobre la forma

en que esta organiza su personal, sus instalaciones y sus procesamientos.

Las cantidades anuales pueden clasificarse en tres categoras:

Baja produccin: comprendida en un rango que va de 1 a 100 unidades por ao. Por

ejemplo; aviones, barcos, turbinas, plataformas marinas, edificios, etc.

Media produccin: contemplada en un intervalo de 100 a 10,000 unidades por ao. Por

ejemplo; autos de lujo, autos blindados, equipo mdico de alta especialidad, instrumentos de

alta precisin, etc.

21

Alta produccin: rango entre 100,000 a varios millones de unidades anuales. Ejemplo;

autos, tornillos,

1.5. Capacidad de manufactura

La capacidad de manufactura de una fbrica se refiere a la eficacia para darle valor a un

producto esta eficacia presenta limitaciones fsicas y tcnicas. Se pueden identificar varias

dimensiones y son: Capacidad tecnolgica de proceso, tamao fsico y peso del producto y

capacidad de produccin.

1.5.1. Capacidad tecnolgica de proceso

Es el conjunto de procesos del cual dispone una planta de manufactura. La capacidad

tecnolgica del proceso est relacionada estrechamente con el material. Ciertos procesos de

manufactura se adaptan a ciertos materiales, mientras que otros procesos se adaptan a otros

materiales. Al especializarse en algn proceso o grupos de procesos, la planta se especializa

simultneamente en algn tipo de material.

La capacidad tecnolgica de proceso incluye no solamente los procesos fsicos, sino tam-

bin la pericia que tiene el personal de la planta en dichas tecnologas de proceso. Las

compaas estn limitadas por los procesos de que se disponen. Por eso deben concentrarse

en el diseo y manufactura de los productos para los que su capacidad tecnolgica de proceso

les permita una ventaja competitiva.

1.5.2. Tamao fsico y peso del producto

Se refiere al conjunto de limitaciones fsicas, sobre el peso y tamao que puede tener

una planta en el manejo de sus productos, as por ejemplo si una planta maneja productos

grandes tendra que utilizar mquinas de tamao considerable para mover sus productos en

las etapas de su procesamiento. La limitacin sobre el tamao y peso de los productos se

extiende tambin a la capacidad fsica de los equipos de manufactura.

22

1.5.3. Capacidad de produccin

Es comnmente llamada capacidad de planta o produccin y se define como la mxima

velocidad de produccin que una planta puede alcanzar bajo condiciones dadas de operacin.

Se mide generalmente en trminos de unidades producidas.

1.6. Tipos de productos

Hoy en dia la diversidad de productos disponibles en el mercado se pueden contener en

solo unicamente dos tipos y nada ms; y son:

Productos discretos; generados como partes individuales y/o mediante ensambles, ejem-

plo; televisores, computadoras, clavos, tornillos, etc.

Productos continuos; generados de forma continua, ejemplo; rollo de alambre, rollo de

lmina, cable, agua potable, etc. ciertamente estos productos se pueden transformar en

discretos; por ejemplo: el corte de un perfil durante su procesamiento.

1.7. Parmetros de un producto

La compaas manufacturas organizan sus operaciones y sistemas de produccin respecto

del tipo de producto que manipulan.

Los parmetros de un producto, que pueden ser cuantitativos y cualitativos y son:

Cantidad de produccin

Variedad del producto

Complejidad de partes individuales

Complejidad de productos ensamblados

Existe una relacin entre la cantidad de produccin y variedad del producto se puede

expresar de la siguiente forma:

23

Qf =PXQj

j=1

(1.1)

Dnde:

Qf es la cantidad anual del producto, Qj es la cantidad total de productos manufactura-

dos, Q cantidad de produccin, P Variedad del producto.

La Complejidad del producto, es el nmero de componentes utizados para fabricar una

pieza

La complejidad de la pieza, es el nmero de pasos realizados en el proceso de produccin

Para productos ensamblados donde todos sus componentes son usados, la forma de cuan-

tificar la cantidad de piezas producidas por un periodo de un ao es:

Npm =PXQj

j=1

Npj (1.2)

Dnde:

Npm nmero de partes manufacturadas por ao (piezas/ao), Qj Cantidad anual del

producto j (producto/ao), Npj Nmero de partes en el producto j (piezas/producto).

1.8. Clculos de produccin

para lotes:

Es el tiempo que le toma a una unidad de trabajo el ser procesada o ensamblada en una

mquina.

TC = T0 + TH + TTH (1.3)

Dnde:

24

TC es el tiempo de ciclo de la operacin (min/pz), T0 es el tiempo de la operacin actual

de procesamiento o de ensamblaje,TH es el tiempo de manejo, TTH es el tiempo de manejo

de herramientas.

Tiempo que toma el poder procesar todo un lote completo (Q):

TB = TSU + (Q)TC (1.4)

Dnde:

TB es el tiempo de procesamiento por lotes (min), TSU es el tiempo de preparacin para

procesar el lote, Q es la cantidad de piezas en el lote, TC es el tiempo del ciclo de operacin

para una unidad de trabajo.

Tiempo promedio de produccin por unidad de trabajo en un lote

TP =TBQ

(1.5)

Dnde:

TP es el tiempo promedio de produccin por unidad de trabajo en un lote (min/pza), TBes el tiempo de procesamiento por lotes (min), Q es la cantidad de piezas en el lote (pieza).

Razn de produccin por hora

RP =TP60

(1.6)

Dnde:

RP es la razn de produccin por hora, TP es el tiempo promedio de produccin por

unidad de trabajo en un lote (min).

Salidas mximas que se pueden obtener en una lnea de produccin

PC = nSHRP (1.7)

25

Dnde:

n es el nmero de centros de trabajo,S es el nmero de turnos por periodo, H son las

horas por turnos, RP es la produccin por hora de cada centro de trabajo.

Disponibilidad

Disponibilidad de un equipo: Es la medicin de que tanto un equipo o maquina est

disponible para realizar su trabajo y se puede cuantificar mediante la siguiente expresin:

A =MTBF MTTR

MTBF(1.8)

Dnde:

A es la disponibilidad, MTBF es el tiempo promedio entre fallas, MTTR es el tiempo

promedio de reparacin.

26

Captulo 2

Materiales

Operaciones de proceso utiliza energa para alterar la forma, las propiedades fsicas o el

aspecto de una pieza de trabajo agregndole valor al material. Las formas de energa incluyen

la mecnica, trmica, elctrica o qumica. La energa que se aplica se controla a travs de

maquinaria y herramientas. Tambin puede requerirse energa humana.

Por lo general para alcanzar un producto terminado se requiere de ms de una operaciones

para transformar el material a su forma final.

Las operaciones de ensamble, en el cual dos o ms partes separadas, que se unen para

formar una nueva entidad

Materiales

La relacin entre la estructura y las propiedades de los materiales es la base imprescindible

en el estudio de los materiales. La estructura de un material se relaciona con la disposicin

de sus componentes internos.

Las propiedades de un material se expresan en trminos del tipo y magnitud de la re-

spuesta a un estmulo especifico impuesto. Las propiedades suelen ser independientes de la

forma y el tamao del material.

Las propiedades de los materiales solidos se agrupan en seis categoras: mecnicas, elctri-

cas trmicas magnticas, pticas y qumicas. Para cada categora existen un tipo caracters-

27

tico de estmulos capaz de provocar respuestas diferentes. Las propiedades mecnicas relacio-

nan la deformacin con la fuerza aplicada, ejemplos el mdulo de elasticidad y la resistencia.

Las propiedades elctricas. Tales como conductividad elctrica y constante dielctrica, el

estmulo es un campo elctrico. El comportamiento trmico de los slidos se representa en

funcin de la capacidad calorfica y de la conductividad trmica. Las propiedades magnticas

se refieren a la respuesta de un material frente a la influencia de un campo magntico. Las

propiedades pticas, el estmulo es la radiacin electromagntica o lumnica; el ndice de re-

fraccin y la reflectividad son propiedades pticas representativas. Por ultimo las propiedades

qumicas indican la reactividad qumica de un material.

2.1. Materiales en la manufactura.

2.1.1. Clasificacin de los materiales

Se pueden clasificar en tres grandes grupos: metales, cermicos, polmeros y compuestos;

las cuales son mezclas no homogneas de los otros tres tipos bsicos de materiales, tanto

sus caractersticas qumicas como sus propiedades fsicas y mecnicas son diferentes. Estas

diferencias afectan los procesos de manufactura directamente que se usan para transformarlos

en productos finales.

CompuestosMetal cermicos

CermicosPolmeros

Metales

CompuestosCermicospolmeros

CompuestosMetalpolmeros

Figura 2.1: Materiales en la manufactura

28

2.1.2. Metales

Los metales comnmente usados son aleaciones, los cuales estn compuestos de dos o

ms elementos, en donde por lo menos uno es metlico. Los metales se pueden dividir en dos

grupos ferrosos y no ferrosos.

Metales ferrosos

Se basan en el hierro como aleante principal e incluye el acero y todos los hierros, estos

son los materiales comerciales ms importantes y comprende ms de las tres cuartas partes

del tonelaje que se utiliza de metal en el mundo. El hierro puro tiene poco uso, pero el hierro

con el carbn es ms usado y tiene un valor mayor comercial que cualquier otro metal.

El acero es la categora ms importante dentro de este grupo de metales ferrosos y puede

definirse como una aleacin de hierro-carbono con un contenido aproximado de 0.02 a 2.11%

de carbono, e incluye otros elementos de aleacin deseables para obtener ciertas atributos

fsicos y mejores propiedades, tales como; el manganeso, cromo, nquel y molibdeno. El acero

tiene muchas aplicaciones en la industria de la construccin, del transporte y otras industrias

de consumo.

Las principales razones del uso del acero son que tiene buena resistencia mecnica, relativo

bajo coste entre los metales y facilidad de procesado en una gran variedad de procesos de

manufactura.

Metales no ferrosos

Los metales no ferrosos aquellos que no contienen hierro, y comprenden los otros elemen-

tos metlicos puros y sus aleaciones, tal como; aluminio, cobre, oro, magnesio, nquel, cromo,

plata, estao, titanio, zinc y otros metales. En los ms fciles de procesar est el aluminio y

los ms difciles son el nquel y el titanio.

29

2.1.3. Polmeros

Un polmero es un compuesto formado por repetidas unidades llamadas meros cuyos

tomos comparten electrones para formas molculas muy grandes. Los polmeros esta con-

stituidos generalmente por carbn y otros elementos como hidrogeno, nitrgeno, oxgeno y

cloro. Los polmeros se dividen en tres categoras.

Polmeros termoplsticos: estos pueden someterse a mltiples ciclos de calentamien-

to y enfriamiento sin alterar sustancialmente su estructura molecular. Algunos polmeros

termoplsticos son el poliestireno, polietileno, cloruro de polivinilo y nylon.

Polmeros termofijos: estas molculas se transforman qumicamente en una estruc-

tura rgida cuando se enfran despus de una condicin plstica por calentamiento. Algunas

sustancias esta familia son las resinas fenlicas, aminorresinas y resinas epxicas.

Elastmeros: presentan un comportamiento elstico importante, algunos elementos de

esta familia son el hule natural, el neopreno las siliconas y poliuretano.

2.1.4. Cermicos

Ciertamente algunas propiedades de estos materiales son requeridas como resistencia a al-

tas temperaturas, dureza, qumicamente inertes a sustancias qumicas o alimentos y al medio

ambiente; resistencia al desgaste y a la corrosin, baja conductividad trmica y elctrica, que

otros materiales mencionados anteriormente no pueden contener, por lo que resultan ser cada

vez estos materiales sumamente importantes en la manufactura de ciertos productos, tales

como; materiales de herramentales y matrices, motores trmicos y componentes automotores.

El trmino cermico se deriva de los vocablos griegos keramos, que significa arcilla y

keramicos, que significa productos de arcilla.

Se define comnmente como un compuesto que contiene elementos metlicos y no metli-

cos. Los elementos metlicos tpicos son el oxgeno, nitrgeno y carbn. Abarcan una gran

variedad de materiales tradicionales y modernos, entre los cuales estn los tipos de arcilla y

estn compuestos por finas partculas de silicatos y otros minerales.

Los cermicos se pueden dividir en dos categoras generales:

30

Cermicos tradicionales: objetos de cermica blanca, losetas, ladrillos, tubos de drenaje,

utensilios de cocina y discos abrasivos.

Cermicos industriales o cermicos de ingeniera, alta tecnologa o finos: componentes

de turbinas, automotores, aeroespaciales, intercambiadores de calor, semiconductores, sellos,

prtesis y herramientas de corte.

Los materiales cermicos modernos incluyen algunos materiales como la almina cuyas

propiedades se mejoran en varias formas mediante mtodos modernos de proceso. Esta cat-

egora de materiales se pueden subdividir en cermicos cristalinos y vidrios. Para esta sub-

categoras se necesitan procesos diferentes para su manufactura. Los primeros son formados

de diversas maneras a partir de polvos y luego se sinterizan. Los materiales vtreos pueden

fundirse, vaciarse y luego formarse mediante procesos tradicionales u otros.

Materiales de esta categora. Slice, carburos, nitruros, silicatos, nitruro de titanio y

nitruro de boro.

2.1.5. Compuestos

Los materiales compuestos no constituyen realmente una categora separada de los ma-

teriales, ms bien constituyen una mezcla de los otros tres tipos de materiales. Un material

compuesto se logra con dos fases en las que se procesan separadamente los materiales y luego

se unen para lograr propiedades superiores a los de sus constituyentes. El termino fase se re-

fiere al procesamiento de una masa de material homogneo, como un agregado de granos con

idntica estructura celular unitaria del metal. La estructura usual de un material compuesto

est formada por partculas o fibras de una fase mezcladas con una segunda fase llamada

matriz.

Las propiedades de los materiales compuestos dependen de sus componentes, de la forma

fsica de dichos componentes y de la manera en que se combinan para formar el material

final. Algunos materiales de esta categora combinan alta resistencia con peso ligero.

Los materiales compuestos se encuentra en la naturaleza tal como la madera, y pueden

producirse sintticamente, tal como las fibra de vidrio en una matriz de polmero como los

plsticos reforzados con fibras; fibras de polmeros de una clase de matriz de un segundo

31

polmero como los epoxy-kevlar, y materiales cermicos en matriz metlica, como carburo

de tungsteno en una cubierta de cobalto para formas buriles de carburo cementado.

2.2. Estructura de los materiales

El conocimiento de los materiales es fundamental en el estudio de los procesos de man-

ufactura. El xito de una operacin en el procesado de un material est determinado por

el comportamiento del material cuando se sujeta a fuerzas, temperaturas y otros parmet-

ros fsicos. Comprender la estructura de los materiales que permita evaluar y predecir sus

propiedades.

La unidad estructural bsica de la materia es el tomo, cada tomo est compuesto de

un ncleo cargado positivamente rodeado de un nmero de partculas subatmicas llamados

electrones, mismo que permanecen equilibrados. Esta equilibrada condicin se hace presente

mediante las propiedades que presenta un elemento en su estado natural. Se ha estudiado

en el pasado los elementos que existen en la naturaleza de tal forma que se tiene un or-

denamiento de acuerdo a la distribucin de las partculas subatmicas presentes en cada

material, presentadas en la tabla peridica de los elementos.

Los tomos mantienen juntos a las molculas mediante varios tipos de enlaces que de-

penden principalmente de las partculas subatmicas. Las molculas se atraen unas a otras

mediante enlaces como resultado de la configuracin de los electrones. Se tiene dos tipos de

enlaces, primarios y secundarios.

2.2.1. Enlaces primarios

Estn asociados a la formacin de molculas, se caracterizan por atracciones fuertes

entre tomos por el intercambio de electrones de valencia, estos enlaces pueden ser: inico,

covalente y metlico.

El enlace inico se da por una transferencia completa de electrones, se ah se deriva

su nombre, de carcter electrosttico. Las propiedades de los materiales con este tipo de

32

enlace presentan baja conductividad elctrica, ductilidad muy pobre, alto punto de fusin y

ebullicin. Ejemplos NaCl, CaCl2,KF .

El enlace covalente se presenta por la comparticin de electrones, generalmente se presenta

en molculas del mismo elemento. Los slidos con este tipo de enlace presentan generalmente

alta dureza, baja conductividad elctrica, bajo punto de fusin y ebullicin.

El enlace metlico es el mecanismo de enlace entre metales puros y en las aleaciones. Los

metales poseen pocos electrones en sus orbitas externas para completar las capas externas

de la totalidad de tomos en bloque de metal. Por lo que el enlace metlico se comparte los

electrones de todos los tomos, formando una nube general de electrones que se filtran en

todo el material. Debido a esta distribucin y a la libertad de los electrones para moverse

dentro del metal estos enlaces proporcionan, buena conductividad elctrica.

2.2.2. Enlaces secundarios

Este tipo de enlace involucra fuerzas de atraccin entre molculas o fuerzas intermolec-

ulares, como no existe transferencia de electrones, estos son dbiles. Existen tres tipos de

enlaces comunes. Y son: fuerzas dipolo, fuerzas de London y enlaces de hidrogeno.

Las fuerzas dipolares surgen en una molcula compuesta por dos tomos que tiene cargas

elctricas iguales y opuestas. Estos enlaces explican la fuerza de cohesin en los lquidos y

gases.

Fuerzas de London comprenden entre fuerzas atractivas entre molculas no polares, es

decir los tomos en las molculas no forman dipolos. Sin embargo se llegan a formar dipolos

temporales, estos dipolos producen una fuerza de atraccin entre las molculas del material.

Enlaces por puente de hidrogeno se establecen en molculas que contienen tomos de

hidrogeno unidos mediante un enlace covalente a otro tomo. Como los electrones necesarios

para completar la capa exterior del tomo de hidrogeno quedan alineados a un lado de su

ncleo, el lado opuesto adquiere carga positiva neta que atrae a los tomos de las molculas

vecinas.

La clasificacin de los materiales para ingeniera asigna un determinado tipo de enlace,

o combinacin de enlaces para cada categora. Los metales estn constituidos por enlaces

33

Tabla 2.1: El carcter asociado con los tipos fundamentales de enlace de los materiales para

ingeniera

Tipo de material Carcter de enlace Ejemplo

Metal Metlico Hierro (Fe) y aleaciones frreas

Cermicos y vidrios Inico/covalente Slice (SiO2); cristalina y no cristalina.

Polmeros Covalente y secundario Polietileno - (C2H4)nSemiconductores Covalente o covalente/inico Silicio (Si) o sulfuro de cadmio (CdS).

metlicos. Los cermicos y los vidrios implican enlaces inicos, aunque generalmente con un

fuerte carcter covalente. Los polmeros poseen normalmente fuertes enlaces covalente a lo

largo de las cadenas polimricas, pero existen enlaces secundarios dbiles entre cadenas ady-

acentes. El enlace secundario acta como un eslabn dbil de la estructura, proporcionando

resistencias y temperaturas de fusin caractersticamente bajas. Los semiconductores tienen

una naturaleza predominantemente covalente, aunque algunos compuestos semiconductores

tienen fuerte carcter inico. Estas cuatro categoras de materiales para ingeniera son, por

tanto, los tipos bsicos. Los materiales compuestos son una combinacin de los tres primeros

tipos fundamentales y poseen las caractersticas de enlace de sus constituyentes (ver Tabla

2.1 ).

2.2.3. Estructuras cristalina

Los tomos y molculas son los elementos de constitucin de la materia. Algunos ma-

teriales cuando pasan del estado lquido a solido tienden a cerrar filas y compactarse es-

trechamente, adoptando en muchas ocasiones una estructura muy ordenada y en algunos

no.

Una vez que se ha establecido firmemente las distintas categoras de los materiales para

ingeniera, se puede conocer la estructura a escala atmica, que es cristalina para la mayora

de los materiales, es decir, los tomos del material estn dispuestos de una manera regular

y repetitiva.

Los fundamentos de la geometra cristalina son comunes a todos los materiales cristali-

34

nos. Las estructuras cristalinas de la mayora de los metales pertenecen a uno de tres tipos

relativamente sencillos. Los compuestos cermicos, que tienen una amplia variedad de com-

posiciones qumicas, presentan igualmente una amplia variedad de estructuras cristalinas,

algunas son relativamente sencillas, pero otras, como las de los silicatos, son bastante com-

plejas. Los polmeros comparten dos caractersticas con los cermicos y los vidrios, en primer

lugar, sus estructuras son relativamente complejas. En segundo lugar, a causa de esta com-

plejidad el material no cristaliza fcilmente, y los polmeros comunes pueden tener un 50

y un 100% de su volumen no cristalino. Los semiconductores elementales, como el silicio,

poseen una estructura caractersticas, mientras que los compuestos semiconductores tienen

estructuras similares a las de los compuestos cermicos ms sencillos. Cada una de las miles

estructuras cristalinas existentes en materiales naturales y sintticos pueden estar en siete

sistemas cristalinos y catorce redes cristalinas.

Se pueden distinguir dos tipos de estructuras fundamentales de la materia.

La principal caracterstica de la estructura cristalina que es regular y repetitiva. Cualquier

estructura cristalina puede describirse como un modelo formado a base de repetir unidades

estructurales. Por lo general se escoge la estructura ms sencilla como unidad estructural

representativa, denominada celda unitaria o celda unidad ( Figura 2.2 ).

Figura 2.2: Celda Unitaria

Todas las estructuras posibles se reducen a un pequeo nmero de geometras de la celda

unitaria bsica lo se muestras de dos formas. Primera, solo existen siete celdas unidad, nicas

que pueden disponerse de manera que rellenen completamente el espacio tridimensional. Son

los siete sistemas cristalinos (ver Figura 2.3.).

35

Figura 2.3: Siete sistemas cristalinos

Cinco estructuras cristalinas bidimensionales

i. Cuadrado simple

ii. Rectngulo simple

iii. Rectngulo centrado o rombo

iv. Paralelogramo

v. Hexgono centrado

36

Figura 2.4: Formas de sistemas cristalinos (2D)

37

Figura 2.5: Catorce redes cristalinas (redes de Bravais)

2.2.4. Estructuras de los metales

Las principales estructuras de los materiales en ingenieras son los metales, la mayora

de ellos poseen una de tres estructuras a temperatura ambiente.

Cubica centrada en el cuerpo (BCC body-centered cubic), en esta estructura hay un

tomo en el centro de la celda unidad y un octavo de tomo en cada vrtice. El factor de

empaquetamiento atmico ( APF, atomic packing factor) para esta estructura es de 0.68 y

representa la fraccin de volumen de la celda unidad ocupada por esos tomos.

38

En los metales que adoptan esta estructura esta en Fe- , V, Cr, Mo yW, las aleaciones que

tiene como constituyente predominante uno de estos metales tendran a poseer tambin esta

estructura, sin embargo la presencia de elementos aleantes disminuye la perfeccin cristalina

(ver Figura 2.6 ).

Figura 2.6: Estructura BCC (cubica centrada en el cuerpo)

Cubica centrada en las caras (fcc, face-centered cubic) con un tomo en cada punto

reticular. Hay medio tomo en el centro de cada cara de la celda unidad, y un octavo de

tomo en cada uno de los vrtices, el factor de empaquetamiento es de 0.74. Los metales que

presenta este tipo de estructura son el Fe- , ( entre los 912 C y 1394 C), Al, Ni, Cu, Ag, Pt

y Au ( ver Figura 2.7 )

Figura 2.7: Estructura FCC (cubica centrada en la cara)

Estructura Hexagonal compacta (hcp, hexagonal close packing) es la primera estructura

ms compleja. Hay tomos asociada a cada punto de la red de Bravais. Hay un tomo cen-

trado dentro de la celda unidad y varias fracciones en los vrtices de la celda unidad. La

39

diferencia entre esta estructura y las dos anteriores radica en la secuencia de empaquetamien-

to de las distintas capas. Entre los metales con este tipo de estructura son Be, Mg,Ti- , Zn

y Zr ( ver Figura 2.8 ).

Figura 2.8: Esctructura HC

Aunque la mayora de los metales se encuentran en uno de los tres grupos estructurales

anteriores, algunos presentan estructuras menos comunes.

2.2.5. Defectos en la estructura cristalina de los materiales

1. Defectos puntuales

2. Defectos lineales o unidimensionales; dislocaciones

3. Imperfecciones planares y bidimensionales

4. Imperfecciones volumtricas o de masas

Estos defectos afectan de manera adversa las propiedades mecnicas y elctricas de los

metales, como el esfuerzo de fluencia, la resistencia a la fractura y la conductividad elctricas;

estas se les denominan propiedades sensibles a la estructura. Por otro lado las propiedades

fsicas y qumicas, como el punto de fusin, el calor especifico, el coeficiente de dilatacin

trmica y las constantes elsticas (mdulos de elasticidad y de rigidez) no son sensibles a

estos defectos; se les conoce como propiedades insensibles a la estructura.

40

2.2.6. Tamao de grano

En la manufactura se emplean los metales como materia prima para muchos productos.

En estos materiales la estructura cristalina se forma de cristales individuales orientados al

azar (granos); por lo tanto, las estructuras de los metales no son monocristalinas ms bien

son policristalinas. Cuando una masa de metal fundido comienza a solidificar, los cristales

empiezan a formarse independientemente unos de otros en varios lugares dentro de la masa

liquida.

El nmero y los tamaos de los granos desarrollados en una unidad de volumen del metal

dependen de la velocidad a la que tiene lugar la nucleacin; etapa inicial de la formacin

de cristales. El nmero de lugares diferentes en los que comienzan a formar los cristales

individuales y la velocidad a la que estos crecen influyen en el tamao medio de los granos

desarrollados. Si la velocidad de nucleacin es alta, el tamao del grano ser pequeo.

2.2.7. Estructura de los cermicos

La gran variedad de composiciones qumicas de los cermicos se refleja en sus estructuras

cristalinas. No es posible dar una lista exhaustiva de las estructuras, pero si se puede propor-

cionar una lista sistemtica de algunas de las ms importantes y representativas. Muchas de

estas estructuras se describen como compuestos intermetalicos. El factor de empaquetamien-

to es muy similar a las de las estructuras metlicas, solo que este factor es ocupada por los

distintos aniones y cationes. La mayor parte de estas estructuras se da con un elemento

metlico y un no metlico.

Algunos ejemplos de estas estructuras son:

CsCl (cloruro de cesio); aunque aparentemente es una estructura BCC, ms bien se

construye en la red de Bravais cubica simple con dos iones (uno de Cs+ y otro de Cl-) (ver

Figura 2.9 ).

41

Figura 2.9: Estructura del ClCs

El NaCl ( cloruro de sodio) ( ver Figura 2.10 ) es un compuesto til, y se encuentra

compartida en muchos materiales cermicos importantes. Puede considerarse como dos es-

tructuras FCC, una formada por iones de sodio y otra formada por iones de cloro. De acuerdo

con las redes de Bravais este compuesto presenta una estructura FCC con dos iones (uno de

Na+ y otro de Cl-), asociados a cada punto reticular. En cada celda unitaria hay ocho iones

(cuatro de Na+ y cuatro de Cl-). Algunas otras estructuras cermicas con esta estructura

son MgO, CaO, FeO y NiO. El conjunto de puntos as formado constituye el punto reticular,

que se define como una ordenacin de puntos en el espacio colocados de tal manera que

cada punto tiene idnticos alrededores. Entendiendo por idnticos alrededores que el retculo

cuando se mira en una direccin determinada a partir de un retculo puntual, tiene la misma

apariencia cuando se mira en igual direccin desde cualquier otro retculo puntual. Todas las

celdas de un retculo son iguales y se puede elegir una a la que se llama celda unidad.

Figura 2.10: Estructura del NaCl

Otros cermicos con estructuras sobre una red de Bravais FCC en la que hay iones

42

Figura 2.11: Estructura del CaF2

asociados a cada punto reticular (CaF2, cada celda unitaria contiene cuatro Ca+ y ocho de

F-) (Ver Figura 2.11 ). Algunos cermicos tipos con esta estructura son el UO2, ThO2 y

TeO2.

La slice (SiO2) es el compuesto cermico ms importante, que entra en la composicin de

muchos materiales de la corteza terrestre, la slice, aisladamente o en combinacin con otros

xidos cermicos. La slice presenta una estructura no tan simple, la caracterstica general

de las estructuras SiO2 es la misma de SiO4( cristobalita slice a alta temperatura), son

tetraedros conectados de forma continua, la comparticin de los tomos de O2 por parte

de los tetraedros adyacentes. Con una red de Bravais es representada con una estructura

FCC.(Figura 2.12 ).

43

Figura 2.12: Estructura de la Slice

Otros cermicos importantes son: Al2O3 (corindn), Cr2O3, CaTiO3 ( perovskita),BaTiO3,

MgAl2O4 ( espinela), NiAl2O4, ZnAl2O4, ZnFe2O4, 2(OH)4Al2Si2O5 ( caoln).

Los materiales cermicos tienes molculas que se caracterizan por sus enlaces inicos,

covalentes o por ambos. Los tomos metlicos ceden o comparten sus electrones externos

con otros elementos no metlicos, esto origina una poderosa fuerza de atraccin dentro de

las molculas. Estas propiedades generales que resultan de estos mecanismos de enlace se

pueden mencionar: su alta dureza y rigidez (incluso a temperaturas elevadas), su fragili-

dad (no ductilidad); son aislantes elctricos (no conductividad), refractarios (trmicamente

resistentes) y qumicamente inertes.

Varios materiales pueden presentar una estructura cristalina o no cristalina; la mayora

de ellos tienes una estructura cristalina, por ejemplo la slice se encuentra en la naturaleza en

forma de cuarzo cristalizado, pero cuando se funde y se deja enfriar solidificar para formar

slice fundida que presenta una estructura no cristalina.

2.2.8. Estructura de los polmeros

Estos materiales forman tipos de largas molculas polimricas. En comparacin con el

apilamiento de tomos e iones individuales en los metales y cermicos, la disposicin de esas

largas molculas sigue un patrn regular y repetitivo. La mayora de los polmeros comerciales

44

no presentan un alto grado de cristalinidad. En aquellas zonas de la microestructura que si

son cristalinas, la estructura tiene a ser bastante complicada.

Figura 2.13: Estructura de los polmeros

Mientras que en los metales y cermicos, el conocimiento de la estructura de la celda

unitaria conlleva el conocimiento de la estructura cristalina en un gran volumen de material.

Los polmeros el estudio de estructura debe ser ms cauteloso. Los cristales aislados del

polietileno son difciles de obtener. Cuando se producen tienen a construir plaquetas delgadas,

de unos 10nm de espesor. Puesto que las cadenas de polmeros tienen generalmente varios de

cientos de nm de longitud, estas cadenas debern doblarse hacia atrs y adelante formando

una especie de tejido a escala atmica (figura ).

Figura 2.14: Cadenas polimricas formando un tipo de tejido manomtrico

El polietileno (C2H4)- n, es qumicamente bastante sencillo, sin embargo la larga cadena

45

se dobla sobre si mis hacia atrs y hacia adelante. Se encuentra en una celda ortorrmbica,

un sistema cristalino comn en los cristales polimricos.

Figura 2.15: Formula y forma de la estructura polimrica del polietileno

Por lo general los polmeros tienen C, H, N, O y Cl. Contienen enlaces covalentes y enlaces

secundarios( Van der Walls). Los polmeros presentan una estructura vtrea o una mezcla

estructura vtrea y cristalina. Existen tres diferencias entre los tres tipos de polmeros.

Los polmeros termoplsticos estn constituidos por largas cadenas moleculares de estruc-

tura lineal, estos materiales pueden calentarse o enfriarse sin que se alter sustancialmente

su estructura. En las polmeros termofijos las molculas adoptan una estructura rgida tridi-

mensional cuando se les deja enfriar despus de haber estado en una condicin plstica de

calentamiento, si estos materiales se vuelven a calentar experimentan una degradacin qumi-

ca en lugar de derretirse. Los elastmeros poseen grande molculas con una estructura espiral

que se enrolla y desenrolla cuando se sujeta a esfuerzos cclicos, impartiendo al material sus

propiedades elsticas.

46

Figura 2.16: Formas que toman las cadenas polimricas

La estructura molecular y los enlaces de los polmeros imparten a estos materiales las

propiedades tpicas como; baja densidad, alta resistencia elctrica y baja conductividad

trmica. La resistencia y rigidez de los polmeros varan ampliamente. Algunos son fuertes y

rgidos, mientras que otros presentan un comportamiento altamente elstico.

2.2.9. Estructura de los semiconductores

La tecnologa desarrollada por la industria de los semiconductores para la obtencin de

monocristales ha permitido obtener cristales con un grado de perfeccin extraordinariamente

alto. Una sola estructura domina la industria de los semiconductores. Los semiconductores

elementales comparten la estructura cubica del diamante. Esta estructura est construida

sobre una de red de Bravais FCC, con dos tomos asociados a cada punto reticular y ocho

tomos en cada celda unitaria. Una caracterstica clave de esta estructura es que incorpora

la configuraciones tetradrica de enlace que tienen los elementos del grupo IV A.

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Figura 2.17: Estructura del GaAs

Figura 2.18: Estructura del ZnS y el Diamante

Compuestos con este tipo de estructura ZnS (blenda), GaAs, ZnSe, CdS, AIP, HgTe.

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2.3. Propiedades mecnicas de los materiales

Las propiedades mecnicas de los materiales determinan su comportamiento cuando se les

sujeta a esfuerzos mecnicos estas propiedades incluyen el mdulo de elasticidad, ductilidad,

dureza y varias medidas de resistencia. Las propiedades mecnicas son importantes en el

diseo, porque el funcionamiento y desempeo de los productos depende de su capacidad

para resistir deformaciones bajo los esfuerzos para los que fueron creados. En el diseo, el

objetivo general para el producto es resistir esos esfuerzos sin algn cambio significativo en

su geometra. En los procesos de manufactura este objetivo resulta contrario ya que para

llevar a cabo un proceso en el que implique cambiar la geometra del material al aplicar

esfuerzos que excedan la resistencia a la fluencia.

Existen tres tipos de esfuerzos estticos a los que pueden someter los materiales: tensin,

compresin y corte. Los esfuerzos de tensin tienen a alargar el material, los de compre-

sin tienden a comprimirlo y los de corte implican fuerzas que tienden a deslizar porciones

adyacentes de material una sobre otra.

2.3.1. Propiedades de la tensin

Para comprender esta dimensin se ha basado en estudiar la relacin que existen entre el

esfuerzo-deformacin, particularmente en los metales. Esta relacin se ha llevado mediante el

anlisis experimental esfuerzo-deformacin. Este anlisis esta normado por ASTM (American

Society for Testing Materials) expresa la relacin existente entre la deformacin y carga a la

que est sometido un material; el material se prepara con ciertas caractersticas geomtricas

con una longitud original Lo (distancia entre dos marcas calibradas), y un rea Ao ( rea

conocida) (ver Figura 2.19 ). Se realiza un ensayo aplicando un par de fuerzas de forma

axial, de tal forma que la carga y el cambio se longitud del espcimen se registran conforma

avanza el proceso, estos datos se utilizan para determinar la relacin esfuerzo-deformacin.

Relacin esfuerzo contra deformacin ingenieril y esfuerzo deformacin real, importante en

la manufactura de un material.

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Figura 2.19: Espcimen para ensayo en tensin

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Bibliografa

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