introduccion a la manufactura

1Introduccingeneral

I.1 Qu es la manufactura?

Antes de empezar a leer esta introduccin, tmese unos minutos para revisar varios ob-jetos alrededor de usted: su reloj, el telfono celular, la silla, una lata de refresco, los in-terruptores de luz, una taza de caf y su computadora. Pronto advertir que todos estosobjetos y sus componentes individuales tienen diferentes formas; no los encontrara en lanaturaleza tal como estn en su cuarto. Se han transformado en diferentes formas a par-tir de materias primas y ensamblado como los productos que ahora ve.

Notar fcilmente que algunos objetos estn hechos de una sola pieza, como losclavos, tornillos, tenedores, ganchos de plstico para ropa o llantas de bicicleta. Sin em-bargo, la mayora de los objetos, como los motores de automviles mostrados en la figu-ra I.1 (inventados en 1876), las lavadoras de ropa (1910), los tostadores (1926), losaparatos de aire acondicionado (1928), los refrigeradores (1931), los bolgrafos (1938),las fotocopiadoras (1949) y miles de otros productos, se construyen mediante el ensam-blado de varias partes (tabla I.1) y componentes fabricados a partir de numerosos mate-riales. Todos los productos mencionados se fabrican por medio de diversos procesosdenominados manufactura.

Manufactura, en un sentido completo, es el proceso de convertir materias primasen productos. Tambin comprende las actividades en que el propio producto fabricadose utiliza para elaborar otros productos. Los ejemplos podran incluir a las grandes pren-sas que forman las hojas metlicas usadas en accesorios y carroceras para automviles,la maquinaria para fabricar sujetadores, como tornillos y tuercas, y las mquinas de co-ser ropa. El nivel de manufactura de una nacin se relaciona directamente con su saludeconmica; por lo general, cuanto mayor es la actividad manufacturera de un pas, ma-yor ser el estndar de vida de su gente.

I.1 Qu es la manufactura? 1

I.2 El proceso de diseodel producto y la inge-niera concurrente 11

I.3 Diseo para manufac-tura, ensamble, desen-samble y servicio 14

I.4 Seleccin de materiales16

I.5 Seleccin de procesosde manufactura 19

I.6 Diseo y manufacturaconsciente del medioambiente 32

I.7 Manufactura integradapor computadora 33

I.8 Produccin esbelta ymanufactura gil 37

I.9 Aseguramiento de la ca-lidad y administracinde la calidad total 38

I.10 Competitividad global ycostos de manufactura39

I.11 Tendencias generalesen la manufactura 41

EJEMPLOS:

I.1 Sujetadores para papel8

I.2 Bombillas 9I.3 Seleccin de materiales

para monedas de Estados Unidos 18

I.4 Seleccin de materialespara bates de bisbol18

I.5 Manufactura de unaprtesis de cadera 26

I.6 Manufactura de un salero y molino de pimienta 32

I.7 Aplicacin deCAD/CAM para fabricarun molde de anteojospara el sol 36

Los objetivos de este captulo son explicar:

Qu es la manufactura y, con ejemplos, mostrar su papel en nuestra vida diaria.

El proceso de diseo del producto y la importancia de la seleccin de materiales yprocesos.

El papel de las computadoras en todos los aspectos de la manufactura.

Costos de manufactura y su papel en la economa global.

Tendencias generales en la manufactura.

2 Introduccin general

FIGURA I.1 Ilustracin de un motor de automvil (el Duratec V-6), mostrando diversos componentes y los mate-riales utilizados para fabricarlos. Fuente: Cortesa de Ford Motor Company. Ilustracin por David Kimball.

La palabra manufactura se deriva del latn manu factus, que significa hecho a ma-no, y apareci por primera vez en 1567. La palabra manufacturar apareci en 1683.La palabra producto significa algo que se produce y apareci, junto con la palabraproduccin, en algn momento durante el siglo XV. Los vocablos manufactura yproduccin con frecuencia se utilizan de manera indistinta.

Debido a que suelen pasar por varios procesos en los que las materias primas seconvierten en productos tiles, los artculos manufacturados adquieren un valor, defini-do como equivalente monetario o precio de venta. Por ejemplo, como materia primapara los cermicos, la arcilla tiene un valor pequeo al extraerla de la mina. Cuando seconvierte en la parte cermica de una buja, un vaso, una herramienta de corte o un ais-lador elctrico, se agrega valor a la arcilla (valor agregado). De manera similar, un gan-cho para ropa o un clavo tiene un valor superior al costo de la pieza de alambre con laque se fabric; entonces, la manufactura tiene la importante funcin de agregar valor.El trmino alto valor agregado se utiliza para identificar a dichos productos. Los ejem-

TABLA I.1

Nmero de partes en algunos productos

Producto Nmero de partes

Podadora rotatoria 300Piano de cola 12,000Automvil 15,000Avin de carga C-5ABoeing 747400 76,000,000

74,000,000

Tubera hidrulicade cobre

Tornillos de latny de acero

Cigeal de acero forjado

Engrane recto deacero troquelado

Escobillas decobre(dentro del alternador)

Cabeza de cilindrosde aluminio fundido

Bujas con electrodo de platinoy cubierta de cermica

Camisas de cilindros de hierrofundido microasentado

Bielas de polvo metlico

Pistones de aluminio fundido,recubiertos de grafito

Por claridad, no se muestran los mltiples de polmeros


plos incluyen chips de computadoras, monobloques de motores, engranes y zapatos de-portivos.

La manufactura puede fabricar productos discretos, es decir, partes individuales oproductos continuos. Los clavos, engranes, bolas para rodamientos, latas para bebidas ymonobloques para motores son ejemplos de partes discretas, aunque se producen en al-tos volmenes y capacidades de produccin. En cambio, el alambre, las hojas metlicasy los tubos y tuberas de plstico son productos continuos, que despus se cortan en pie-zas individuales y se convierten as en productos discretos.

Por lo general, la manufactura es una actividad compleja que comprende una am-plia variedad de recursos y actividades, como las siguientes:

Diseo del producto.

Maquinaria y herramienta.

Planeacin del proceso.

Materiales.

Compra.

Manufactura.

Control de la produccin.

Servicios de soporte.

Mercadeo.

Ventas.

Embarque.

Servicios al cliente.

Es fundamental que las actividades de la manufactura respondan a las diversas deman-das y tendencias:

1. Un producto debe satisfacer totalmente los requisitos de diseo, especificaciones ynormas.

2. Un producto debe manufacturarse mediante los mtodos ms econmicos y amiga-bles con el medio ambiente.

3. La calidad debe integrarse al producto en cada etapa, desde el diseo hasta el en-samblado, en vez de confiar slo en las pruebas de calidad despus de haberlo ma-nufacturado.

4. En el muy competitivo ambiente actual, los mtodos de produccin deben ser losuficientemente flexibles para responder a las cambiantes demandas del mercado,a los tipos de productos y a las capacidades de produccin, a fin de asegurar unaentrega oportuna al cliente.

5. Los continuos desarrollos en materiales, mtodos de produccin e integracin a lascomputadoras, tanto de las actividades tecnolgicas como de las administrativasen una organizacin manufacturera, deben evaluarse constantemente con miras asu implantacin apropiada, oportuna y econmica.

6. Las actividades de manufactura deben verse como un gran sistema, cuyas partes serelacionan entre s en grados variables. Estos sistemas se pueden modelar para es-tudiar el efecto de factores como los cambios en las demandas del mercado, el di-seo del producto, los materiales y los mtodos de produccin tanto en la calidadcomo en el costo de los productos.

7. El fabricante debe trabajar con el cliente para obtener una retroalimentacin opor-tuna y conseguir as una mejora continua del producto.


8. Una organizacin manufacturera debe luchar constantemente por obtener mayo-res niveles de productividad, que se define como el uso ptimo de todos sus recur-sos: materiales, mquinas, energa, capital, mano de obra y tecnologa. Debemaximizarse la produccin por empleado por hora en todas las fases.

I.1.1 Breve historia de la manufactura

La manufactura se origin entre los aos 5000 y 4000 a.C. (tabla I.2). Es ms antiguaque la historia registrada. Las marcas y los dibujos en las cuevas o en las rocas primitivasdependan de alguna forma de marcador o brocha, y se empleaba una pintura o algnmedio para grabar en la roca. Era necesario fabricar herramientas apropiadas para esasaplicaciones. La manufactura de productos que tenan diversos usos especficos comenzcon la produccin de artculos de madera, cermica, piedra y metal. Los materiales yprocesos que se utilizaron para dar forma a productos mediante la fundicin y el marti-llado se han desarrollado gradualmente a lo largo de los siglos, usando nuevos materia-les y operaciones ms complejas, con crecientes capacidades de produccin y mayoresniveles de calidad.

Los primeros materiales utilizados para fabricar utensilios domsticos y objetos or-namentales incluan metales como el oro, cobre e hierro, seguidos de la plata, el plomo,estao, latn y bronce. La produccin de acero (entre los aos 600 y 800 d.C.) constitu-y un hito importante; desde entonces se ha desarrollado una variedad muy amplia demetales ferrosos y no ferrosos. En la actualidad, los materiales que se emplean en pro-ductos avanzados, como computadoras y aeronaves supersnicas, incluyen materiales deingeniera (desarrollados para ese fin) con propiedades nicas, como cermicos avanza-dos, plsticos reforzados, materiales compuestos y nanomateriales.

Hasta antes de la Revolucin Industrial, que comenz en Inglaterra durante la d-cada de 1750, los bienes se producan en lotes y se requera mucha confianza en la manode obra en todas las fases de la produccin. A dicha revolucin tambin se le denominaPrimera Revolucin Industrial, ya que la segunda comenz a mediados del siglo XX conel desarrollo de los dispositivos electrnicos de estado slido y las computadoras. La me-canizacin moderna comenz en Inglaterra y el resto de Europa con el desarrollo de lamaquinaria textil y de las mquinas herramienta para cortar metales. Esta tecnologa setraslad rpidamente a Estados Unidos, en donde se desarroll ms y se introdujo el im-portante avance del diseo, la fabricacin y el uso de partes intercambiables, creadas porEli Whitney a principios de 1800. Antes de esta aportacin era necesario en gran medidael ajuste a mano, porque no se podan fabricar dos partes exactamente iguales. Ahora seda por entendido que podemos reemplazar un tornillo roto de cierto tamao con unoidntico comprado aos despus en una ferretera local. Pronto siguieron nuevos desa-rrollos, cuyos resultados son incontables productos de uso comn y sin los cuales hoy nopodramos imaginar nuestra vida.

Al inicio de la dcada de 1940 se alcanzaron hitos importantes en todos los aspec-tos de la manufactura. En la tabla I.2 se observa el avance logrado durante los ltimos100 aos, y particularmente durante las ltimas tres dcadas con el advenimiento de laera de las computadoras, si se compara con el largo periodo transcurrido del ao 4000al ao 1 a.C. Aunque los romanos tenan factoras para producir en masa artculos de vi-drio, al principio los mtodos eran muy primitivos y por lo general muy lentos, con mu-cha mano de obra en el manejo de partes y en la operacin de la maquinaria. Hoy en da,con la ayuda de los sistemas de manufactura integrados por computadora, los mtodosde produccin han avanzado tanto que, por ejemplo, las latas de aluminio para bebidasse manufacturan a velocidades de 500 por minuto, los agujeros en las hojas metlicas seperforan a razn de 800 por minuto y las bombillas se elaboran en cantidades de ms de2000 por minuto.

5TABLA I.2

Desarrollo histrico de materiales y procesos de manufactura

Periodo Fechas Metales y Diversos Formado y Unin Herramientas, fundicin materiales y modelado maquinado y sistemas

compsitos de manufactura

Antes de 4000 a.C. Oro, cobre, Artculos de tierra, Martillado Herramientas de piedra,hierro meterico vidriera, fibras pedernal, madera, hueso,

naturales marfil, herramientascompsitas

4000 a 3000 a.C. Fundicin de cobre, Estampado, joyera Soldadura de cobre Corindn (almina,moldes de piedra y (Cu-Au, Cu-Pb, esmeril)metales, proceso a la Pb-Sn)cera perdida, plata,plomo, estao, bronce

3000 a 2000 a.C. Fundicin y estirado de Perlas de vidrio, Alambre mediante Remachado, Fabricacin de azadones,bronce y hojas de oro torno de alfarero, el corte de hojas soldadura hachas martilladas,

recipientes de vidrio metlicas de cobre herramientas paraherrera y carpintera

2000 a 1000 a.C. Hierro maleable, bronce

1000 a 1 a.C. Hierro fundido, Prensado y soplado Estampado Soldadura por Cinceles improvisados,acero fundido de vidrio de monedas forja de hierro y sierras, limas, y tornos

acero, pegado para madera

1 a 1000 d.C. Zinc, acero Vidrio veneciano Armaduras, acuado, Grabado de armadurasforja, espadas de acero

1000 a 1500 Alto horno, tipos de Cristal Estirado de alambre, Papel lija, sierra metales, fundicin trabajos de orfebrera impulsada por molino de campanas, peltre en oro y plata de viento

1500 a 1600 Caones de hierro Vidrio plano fundido, Potencia hidrulica para Torno de mano parafundido, placa vidrio de pedernal trabajo de los metales, maderade estao laminacin de tiras para

monedas

1600 a 1700 Fundicin de molde Porcelana Laminacin (plomo, Mandrinado, torneado,permanente, latn a oro, plata), laminado mecanizado de roscas,partir de cobre y de formas (plomo) taladro de columnazinc metlico

(contina en la siguiente pgina)

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6TABLA I.2

Desarrollo histrico de materiales y procesos de manufactura (continuacin)



1700 a 1800 Hierro fundido maleable, Extrusin (tubo de acero de crisol (barras y plomo), embutido varillas de hierro) profundo, laminacin

1800 a 1900 Fundicin centrfuga, Vidrio para ventana Martillo de vapor, Cepillo de mesa fija,proceso Bessemer, de cilindro dividido, laminacin de acero, fresado, torno copiadoraluminio electroltico, lmpara de luz, vulca- tubo sin costura, para cajas de fusiles,barras de nquel, nizacin, procesa- laminacin de rieles de torno de torreta, metales babbitt, acero miento del hule, acero, laminado fresadora universal, galvanizado, metalurgia polister, estireno, continuo, disco vitrificado parade polvos, acero de celuloide, extrusin electrodeposicin rectificadohogar abierto de hule, moldeo

1900 a 1920 Fabricacin automtica Rolado de tubos, Oxiacetileno; Torno engranado, rosca-de botellas, baquelita, extrusin en caliente soldadura de arco, dora automtica, talladovidrio de borosilicato resistencia elctrica de engranes con fresa

y trmica madre, herramientas deacero de alta velocidad,xido de aluminio y car-buro de silicio (sinttico)

1920 a 1940 Fundicin a presin Desarrollo de plsticos, Alambre de tungsteno Electrodos Carburo de tungsteno,fundicin, moldeo, a partir de polvo recubiertos produccin en masa,cloruro de polivinilo, metlico mquinas deacetato de celulosa, transferenciapolietileno, fibrasde vidrio

1940 a 1950 Proceso a la cera Acrlicos, hule Extrusin (acero), Soldadura de Recubrimientos deperdida para partes sinttico, epxicos, estampado, metales arco sumergido conversin de fosfato,de ingeniera vidrio fotosensible en polvo para partes control de calidad total

para ingeniera

1950 a 1960 Molde cermico, Acrilonitrilo butadieno Extrusin en fro Soldadura de arco Maquinado elctrico yhierro nodular, estireno, (acero), formado de metal y gas, de qumico, controlsemiconductores, fluorocarbonos, explosivo, tungsteno y gas y automticofundicin continua poliuretano, vidrio procesamiento de electroescoria;

flotado, vidrio termomecnico soldadura portemplado, cermicos explosinvidriados

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7TABLA I.2

Desarrollo histrico de materiales y procesos de manufactura (continuacin)



1960 a 1970 Fundicin por Acetales, Hidroformado, Soldadura de arco Carburo de titanio,compresin, policarbonato, extrusin hidrosttica, de plasma y de diamante sinttico,labes para turbina formado en fro de electroformado haz de electrones, control numrico,de monocristales plsticos, plsticos unin por adhesivos microcircuito integrado

reforzados, devanadode filamentos

1970 a 1990 Grafito compactado, Adhesivos, materiales Forjado de precisin, Rayo lser, Nitruro de boro cbico,fundicin al vaco, compsitos, semi- forjado isotrmico, unin por difusin herramientas recubiertas,arena aglutinada conductores, fibras formado superplstico, (tambin combinada torneado de diamante,orgnicamente, pticas, cermicos matrices fabricadas con formado maquinado de ultra-automatizacin del estructurales, mediante diseo superplstico), precisin, manufacturamoldeo y colado, compsitos de matriz y manufactura asistida soldadura blanda integrada por compu-solidificacin rpida, cermica, plsticos por computadora, con montura tadora, robots industria-compsitos de matriz biodegradables, forjado y formado superficial les, centros de maquina-metlica, trabajo de polmeros de forma neta, do y torneado, sistemasmetales semislidos, elctricamente simulacin en de manufactura flexible,metales amorfos, conductores computadora tecnologa de detectores,aleaciones con memoria inspeccin automatizada,de forma (materiales sistemas expertos, simu-inteligentes), simulacin lacin y optimizacinen computadoras en computadoras

1990 a 2000 Reofundicin, diseo Materiales de nanofase, Fabricacin rpida Soldadura de Micro y nanofabricacin,de moldes y matrices espumas metlicas, de prototipos, montaje agitacin por LIGA (acrnimo alemnasistido por compu- recubrimientos rpido de herramien- friccin, sueldas sin para un proceso quetadora, montaje rpido avanzados, super- tas, fluidos amigables plomo, esbozos comprende litografa,de herramientas conductores de alta con el medio ambiente de hoja metlica electrodeposicin y

temperatura, cermicos para el trabajo de los (especiales) soldadas moldeo), ataque enmaquinables, carbono metales a tope con lser, seco, transmisiones decomo diamante adhesivos motores lineales, redes

elctricamente neuronales artificiales,conductores seis sigma

Fuente: J. A. Schey, C. S. Smith, R. F. Tylecote, T. K. Derry, T. I. Williams, S. R. Schmid y S. Kalpakjian.

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EJEMPLO I.1 Sujetadores para papel

El sujetador para papel o clip (fig. I.2), como lo conocemos hoy en da, fue desarrolla-do por un noruego, Johan Vaaler, quien recibi la patente respectiva en Estados Uni-dos en 1901. En este ejemplo, identificaremos los importantes factores comprendidosen el diseo y la manufactura de dichos sujetadores.

Suponga que se le pide disear y producir sujetadores para papel. Qu tipo dematerial elegira para hacer este producto tan simple? Debera ser metlico o podraser no metlico, como el plstico? Si elige un metal, qu tipo de metal y en qu con-diciones? Si el material con el que inici tiene la forma de alambre, cul sera su di-metro? Debera ser redondo o tener alguna otra seccin transversal? Sonimportantes el acabado superficial y la apariencia del alambre? Ms an, cmo to-mara una pieza de alambre y le dara la forma de clip? Lo hara a mano o, de no seras, qu tipo de mquina especial diseara y fabricara, o comprara, a fin de elabo-rar sujetadores para papel? Si como propietario de una compaa recibiera una or-den por 10,000 clips y otra por millones de ellos, sera diferente su mtodo demanufactura?

Es obvio que el sujetador para papel debe cumplir su requisito funcional bsi-co: mantener juntas hojas de papel con la suficiente fuerza de sujecin para que no seseparen. Por consiguiente, debe disearse de modo apropiado, particularmente encuanto a forma, tamao, textura y apariencia. El material seleccionado puede tenercierta rigidez y resistencia. Por ejemplo, si la rigidez (una medida de cunto se flexio-na cuando se somete a una fuerza) es muy grande, tal vez los usuarios requieran unnivel de fuerza incmodo o inconveniente para utilizar el clip, al igual que se necesi-ta mayor fuerza para estirar o comprimir un resorte rgido que para hacerlo con unoms suave. En cambio, si la rigidez del sujetador es demasiado pequea, no ejercerla suficiente fuerza de sujecin sobre el conjunto de papeles. Adems, si el esfuerzode fluencia del material del alambre (el esfuerzo requerido para provocar una defor-

FIGURA I.2 Ejemplos de una amplia variedad de mate-riales y formas para sujetadores para papel.


macin permanente en un material) es muy pequeo, el sujetador se doblar de ma-nera permanente durante el uso normal y, por lo tanto, ser muy difcil volver a usar-lo, como todos hemos experimentado. Ntese que la rigidez y resistencia del cliptambin dependen del dimetro del alambre y de las dimensiones y del diseo del su-jetador.

Despus de terminar el diseo del sujetador, debe buscarse el material adecua-do. Esta seleccin requiere conocimiento de la funcin y los requisitos de servicio delproducto, lleva a elegir materiales que, de preferencia, estn disponibles comercial-mente, y comprende la consideracin de su resistencia a la corrosin, porque el suje-tador se manipula con frecuencia y se somete a la humedad y a otros ataques delmedio ambiente. Por ejemplo, vanse las marcas de oxidacin que los clips dejan enlos documentos guardados en archivos durante un largo periodo.

Deben hacerse muchas otras preguntas respecto de la produccin de clips.Podr el material elegido soportar el doblado durante la manufactura sin agrietar-se o sin romperse? Podr cortarse fcilmente el alambre de una pieza larga sin des-gastar en exceso el herramental? El proceso de corte (cizallamiento) producir unaarista lisa en el extremo del alambre, o dejar una rebaba (una arista afilada) quepodra interferir en el uso que se pretende? Finalmente, cul es el mtodo de manu-factura ms econmico de esta parte, a la capacidad deseada de produccin, paraque pueda ser competitivo en el mercado? Por lo anterior, debe seleccionarse un m-todo de manufactura adecuado, as como las herramientas, maquinaria y equiposcorrespondientes.

EJEMPLO I.2 Bombillas

T. A. Edison (1847-1931) fabric la primera lmpara de luz incandescente y la encen-di en 1879. Sin embargo, una bombilla tpica o foco tena una vida de slo 13.5 ho-ras aproximadamente. Desde entonces se han hecho muchas mejoras en los materialesy en los mtodos de manufactura para fabricar bombillas. En este ejemplo describire-mos la secuencia de los mtodos utilizados para manufacturarlas en mquinas alta-mente automatizadas, a razn de 2000 focos por minuto.

En la figura I.3a se muestran los componentes de una bombilla tpica. La parteemisora de luz es el filamento, el cual, al paso de la corriente y debido a su resistenciaelctrica, se calienta hasta la incandescencia; esto es, a temperaturas entre 2200 C y3000 C (4000 F y 5400 F). La primera lmpara exitosa de Edison tena un filamen-to de carbono, aunque l y otros tambin haban experimentado con diversos mate-riales, entre ellos el papel carbonizado y metales como el osmio, iridio y tantalio. Sinembargo, ninguno de estos materiales tena la resistencia mecnica, la resistencia a laalta temperatura y la larga vida del tungsteno (seccin 6.8), que ahora es el materialpara filamentos ms utilizado.

El primer paso en la manufactura de una bombilla consiste en fabricar el vsta-go de vidrio que soporta los alambres de entrada y el filamento, y los conecta a la ba-se de la lmpara (fig. I.3b). Estos componentes se colocan, ensamblan y sellanmientras el vidrio se calienta con flamas de gas. Despus se sujeta el filamento a losalambres de entrada.

El ensamble terminado del vstago (montura) se transfiere entonces a una m-quina que baja un globo de cristal sobre l y, con flama, sella su cuello al aro de lamontura. Se extrae el aire de la bombilla mediante un tubo de escape (una parte inte-gral del vstago de vidrio) y despus se evacua o se llena con gas inerte. Para focos de40 W o ms, el gas suele ser una mezcla de nitrgeno y argn. Despus se sella el tu-bo de escape. El siguiente paso de la produccin consiste en sujetar la base a la bom-


FIGURA I.3a Componentes de una bombilla o foco. Fuente: Cortesa de GeneralElectric Company.

FIGURA I.3b Pasos de manufactura para fabricar una bombilla. Fuente: Cortesa de Ge-neral Electric Company.

billa, utilizando un cemento especial. La mquina que realiza la operacin de sujecintambin suelda (parte VI) los alambres de entrada a la base metlica para proveer laconexin elctrica.

El filamento se produce comprimiendo primero polvo de tungsteno en lingotesy sinterizndolo (calentndolo sin que se funda; seccin 17.4). Despus se redondea ellingote y se le da forma de varilla mediante estampado rotatorio (seccin 14.4); lasvarillas se estiran por medio de una matriz, en varios pasos, a fin de producir unalambre delgado (seccin 15.7) que se enrolla para aumentar la capacidad de produc-cin de luz del filamento. El dimetro del alambre para un foco de 60 W, 120 V, es de0.045 mm (0.0018 pulgada) y debe controlarse de manera muy precisa, porque si esmenor al especificado en slo 1% la vida de la bombilla podra reducirse hasta 25%.

(b)

1 2 3 4 5 6

(a)

Gas de relleno

Filamento

Alambres de entrada

Prensado del vstago

Tubo de escape

Alambres de soporte

Botn para sostener los alambres de soporte

Disco deflector de calor utilizado en lmparas de alta potencia para proteger del calor excesivo a las partes bajas

Fusible que se funde y abre el circuito si ocurre un arco o un corto, evitando que se rompa la bombilla

Base

I.2 El proceso de diseo del producto y la ingeniera concurrente 11

El espaciamiento entre las espiras tambin debe ser muy preciso, para evitar la con-centracin localizada de calor y con ello un posible corto.

En general, los alambres de entrada se elaboran con nquel, cobre o molibdeno,y los alambres de soporte con molibdeno (seccin 6.8). La porcin del alambre de en-trada embutida en el vstago se fabrica con una aleacin de hierro-nquel, recubiertacon cobre. El alambre tiene fundamentalmente el mismo coeficiente de dilatacin tr-mica que el vidrio (captulos 3 y 8), lo cual impide el desarrollo de los esfuerzos trmi-cos que de otra manera podran hacer que se agrietara el vstago. La base de labombilla suele hacerse de aluminio (que debido a su bajo costo ha reemplazado al la-tn) recubierto especialmente para permitir que se inserte con facilidad en la tomaelctrica o socket.

Por lo comn, el vidrio de las bombillas se fabrica soplando vidrio fundido enun molde (seccin 18.3.3). Se utilizan varios tipos de vidrio, dependiendo del tipo debombilla deseado. El interior del tubo puede ser esmerilado (translcido), para redu-cir el brillo y difundir mejor la luz, o simple (transparente). El gas de relleno debe serpuro, pues en caso contrario se ennegreceran las paredes interiores de la bombilla.Por ejemplo, una sola gota de agua en el gas utilizado para medio milln de focos ha-ra que se ennegrecieran todos.

I.2 El proceso de diseo del producto y la ingeniera concurrente

El diseo del producto es una actividad crtica, porque se estima que 70% u 80% delcosto de desarrollo y manufactura de un producto est determinado por las decisionestomadas en las etapas iniciales del diseo. Este proceso comienza con el desarrollo de unconcepto para un producto original. En esta etapa es altamente deseable, e incluso fun-damental, un mtodo innovador de diseo, para que el producto sea exitoso en el merca-do y se obtengan ahorros importantes en costos de materiales y de produccin.

Primero, el diseo de un producto requiere un entendimiento completo de sus fun-ciones y de su desempeo esperado. El mercado de un producto, as como los usos pre-vistos para el mismo, deben definirse claramente con la ayuda de analistas de mercado ypersonal de ventas, que aportan a la compaa informacin valiosa y oportuna sobre elramo. El producto puede ser nuevo o una versin modificada o ms reciente de un ar-tculo existente; por ejemplo, obsrvese cmo han cambiado a travs de los aos el diseoy el estilo de los telfonos celulares, las calculadoras, los aparatos domsticos, los auto-mviles y las aeronaves.

Las actividades de diseo y manufactura suelen efectuarse de manera consecutiva(fig. I.4a), una metodologa que en principio puede parecer lgica y directa, pero que enla prctica desperdicia recursos de modo extremo. En teora, un producto puede pasarde un departamento de una organizacin a otro, puede producirse y despus colocarsedirectamente en el mercado, pero es comn que haya dificultades. Por ejemplo, un inge-niero de manufactura podra desear que se conificara la brida de una parte para mejorarsu capacidad de fundicin, o decidir que es preferible una aleacin diferente. Tales cam-bios obligaran a repetir la etapa de anlisis del diseo, a fin de asegurar que el productofuncione satisfactoriamente. Estas iteraciones, como se muestra en la figura I.4a, desper-dician recursos y, lo ms importante, desperdician tiempo.

Impulsada por la industria electrnica de consumo, se desarroll una gran necesi-dad de proveer productos al mercado lo ms rpidamente posible. El razonamiento eraque los productos introducidos antes gozaban de un mayor porcentaje del mercado y, enconsecuencia, de mayores ganancias, as como de una vida ms larga antes de la obsoles-cencia. Por estas razones apareci la ingeniera concurrente, tambin denominada inge-niera simultnea, que llev al mtodo de desarrollo de productos mostrado en la figura


FIGURA I.4 (a) Grfica que muestra los diversos pasos comprendidos en el diseo y la manufactura de unproducto. Segn la complejidad del artculo y el tipo de materiales utilizados, el tiempo que media entre elconcepto original y el mercadeo de un producto puede variar desde unos cuantos meses hasta muchos aos.(b) Grfica que muestra el flujo general de un producto en la ingeniera concurrente, desde el anlisis de mer-cado hasta la venta del producto. Fuente: S. Pugh, Total Design, Addison-Wesley, 1991.

I.4b. Aunque an tiene un flujo general del producto que va del anlisis de mercado aldiseo y la manufactura, contiene varias iteraciones deliberadas. La principal diferenciacon el mtodo anterior es que ahora todas las disciplinas se involucran en las primerasetapas del diseo, para que en las iteraciones, que ocurren naturalmente, haya un menordesperdicio de esfuerzos y de tiempo. Una clave para este mtodo es la ahora bien reco-

(a) (b)

Definicin de la necesidad del producto; informacin de mercadeo

Diseo conceptual y evaluacin; estudio de factibilidad

Anlisis del diseo; revisin de cdigos y normas; modelos fsicos y analticos

Produccin de prototipos; prueba y evaluacin

Diseo asistido por computadora (CAD)

Planos de produccin; instructivos

Especificacin de materiales; seleccin de proceso y de equipo, revisin de la seguridad

Manufactura asistida por computadora y planeacin de procesos (CAM y CAPP)

Produccin piloto

ProduccinManufactura integrada por computadora (CIM)

Inspeccin y aseguramiento de la calidad

Empaque; mercadeo y literatura de ventas

Producto

Mercado

Especificacin

Iteraciones

Diseo conceptualD

ise

o

prin

cipal

Flujo

Diseo de detalle

Manufactura

Venta

I.2 El proceso de diseo del producto y la ingeniera concurrente 13

nocida importancia de la comunicacin entre y dentro de las diversas disciplinas: debeexistir comunicacin no slo entre las funciones de ingeniera, mercadeo y servicio, sinotambin entre actividades como el diseo para la manufactura, diseo para el recicla-miento y diseo para la seguridad.

La ingeniera concurrente integra el diseo y la manufactura de un producto convistas a optimizar todos los elementos incluidos en su ciclo de vida. Este mtodo reduce(a) los cambios en el diseo y la ingeniera de un producto, y (b) el tiempo y los costoscomprendidos en llevarlo desde su diseo conceptual hasta su produccin e introduccinen el mercado. El ciclo de vida tpico de un producto nuevo consta de las siguientes eta-pas: (a) arranque, (b) crecimiento rpido en el mercado, (c) madurez y (d) declinacin.

El concepto de ingeniera de ciclo de vida demanda que en la etapa de diseo seconsidere toda la vida de un producto: as, el diseo, la produccin, la distribucin, eluso y el reciclamiento o disposicin deben considerarse simultneamente. Entonces, unproducto bien diseado es:

Funcional (diseo).

Bien manufacturado (produccin).

Bien empacado (para que llegue a salvo al usuario final o al cliente).

Durable (funciona efectivamente para el propsito destinado).

Conservable (tiene componentes que se pueden reemplazar o reparar, o a los que sepuede dar mantenimiento con facilidad).

Un recurso eficiente (se puede desensamblar para reciclar los componentes).

Aunque en este libro de texto se enfatiza principalmente el aspecto de la produc-cin en el ciclo de vida de un producto, la necesidad de integracin de mltiples discipli-nas en el desarrollo del mismo domina su ciclo de vida; por ejemplo, el reciclamiento setrata de mejor manera durante el desarrollo del producto mediante la seleccin de mate-riales que sean fcilmente reciclables. Aunque el concepto de ingeniera concurrente pa-rece lgico y eficiente, su implantacin requiere considerable tiempo y esfuerzo cuandosus usuarios no trabajan en equipo o no aprecian sus beneficios reales.

Existen numerosos ejemplos de los beneficios de la ingeniera concurrente. Tal es elcaso de una compaa automotriz que redujo 30% el nmero de componentes en uno desus motores, ocasionando que el peso del motor disminuyera 25% y su tiempo de manu-factura se redujera en 50%. El concepto de ingeniera concurrente se puede implantar encompaas grandes y pequeas, particularmente en vista de que 98% de los estableci-mientos manufactureros de Estados Unidos tienen menos de 500 empleados.

El diseo del producto comprende a menudo la preparacin de modelos analticosy fsicos del mismo para estudiar factores como fuerzas, esfuerzos, deflexiones y unaforma ptima de la parte. La necesidad de dichos modelos depende de la complejidaddel producto. Hoy en da, la construccin y el estudio de modelos analticos se simplifi-ca altamente con el uso de tcnicas de modelado y diseo asistidos por computadora(CAD), ingeniera asistida por computadora (CAE) y manufactura asistida por compu-tadora (CAM). Los sistemas CAD son capaces de analizar rpida y totalmente desde unsimple soporte o un eje hasta estructuras grandes y complejas. Por ejemplo, el avin depasajeros Boeing 777 de dos motores se dise en su totalidad por medio de compu-tadoras (diseo sin documentos), con 2000 estaciones de trabajo conectadas a ocho ser-vidores de diseo. A diferencia de los modelos anteriores, no se elaboraron prototipos omaquetas y el avin se construy directamente a partir del software CAD/CAM desa-rrollado.

Al utilizar ingeniera asistida por computadora es posible simular, analizar y pro-bar eficientemente, con precisin y rapidez, el desempeo de las estructuras sujetas, porejemplo, a cargas estticas o cambiantes y a gradientes de temperatura. La informacinelaborada se puede almacenar, consultar, mostrar, imprimir y transferir a cualquier lugardentro de la organizacin. Se pueden optimizar los diseos y realizar modificaciones, di-recta y fcilmente, en cualquier momento.


La manufactura asistida por computadora (seccin 39.5) comprende todas las fasesde la manufactura, para lo cual se utilizan y procesan las grandes cantidades de informa-cin sobre materiales y procesos reunidas y almacenadas en la base de datos de la organi-zacin. Ahora las computadoras ayudan a los ingenieros de manufactura y a sus asociadosa organizar tareas como programacin del control numrico de mquinas, programacinde robots para manejo y ensamble de materiales, diseo de herramientas, matrices y mon-turas, as como mantenimiento del control de calidad.

Con base en los modelos desarrollados mediante las tcnicas anteriores, el disea-dor de productos selecciona y especifica la forma y las dimensiones finales del producto,su precisin dimensional, acabado superficial y materiales componentes. La seleccin demateriales se realiza con el consejo y la cooperacin de ingenieros de materiales, a menosque el ingeniero de diseo tenga experiencia y est calificado en esta rea. Una conside-racin importante de diseo es cmo se va a ensamblar un componente particular en elproducto final; por ejemplo, en el motor de un automvil es posible observar cmo cien-tos de componentes se ajustan en un espacio limitado, y lo mismo puede verse en un in-terruptor para luz o en un telfono.

El siguiente paso en el proceso de produccin consiste a menudo en hacer y probarun prototipo; esto es, un modelo original de trabajo del producto. Una tecnologa impor-tante es la produccin rpida de prototipos (captulo 20), que se basa en CAD/CAM y endiversas tcnicas de manufactura (las cuales utilizan materiales metlicos o no metlicoscomo piezas de trabajo) para producir prototipos rpidamente y a bajo costo, en la for-ma de un modelo fsico slido de una parte. Producir prototipos de nuevos componentesautomovilsticos mediante mtodos tradicionales, como modelado, formado y maquina-do, podra costar cientos de millones de dlares al ao y algunos componentes requeri-ran un ao ms o menos para producirse. La produccin rpida de prototipos puedereducir estos costos y los tiempos de desarrollo asociados de manera significativa. Estastcnicas estn avanzando an ms y podran utilizarse en la produccin econmica debajos volmenes de partes reales, para incorporarlas en productos.

Se deben disear pruebas para los prototipos que simulen lo ms cercanamente po-sible las condiciones en que se utilizar el producto, las cuales incluyen factores ambien-tales (como temperatura y humedad), los efectos de la vibracin y el uso repetido, ascomo el empleo indebido del producto. Durante la prueba de los prototipos podran ne-cesitarse modificaciones al diseo original, a los materiales o a los mtodos de produc-cin. Al terminar esta fase se seleccionan planes apropiados de proceso, mtodos demanufactura, equipo y herramental, con la cooperacin de ingenieros de manufactura,planeadores de procesos y otros involucrados en la produccin.

La produccin virtual de prototipos es una forma totalmente programable de pro-ducir prototipos que utiliza grficas avanzadas y ambientes de realidad virtual para per-mitir a los diseadores examinar una parte. Esta tecnologa se utiliza en paquetes CADpara producir una parte, a fin de que los diseadores puedan observarla y evaluarla con-forme se dibuja. Sin embargo, debe reconocerse que los sistemas de produccin virtualde prototipos son casos altamente demandantes para producir detalles de las partes.

I.3 Diseo para manufactura, ensamble, desensamble y servicio

Las discusiones anteriores muestran que el diseo y la manufactura nunca deben versecomo actividades separadas. Cada parte o componente de un producto debe disear-se para satisfacer los requisitos y especificaciones de diseo y para manufacturarse eco-nmicamente. El diseo para manufactura (DFM) es un mtodo completo de produccinde bienes e integra el proceso de diseo con materiales, mtodos de manufactura, planea-cin de procesos, ensamble, prueba y aseguramiento de la calidad. Esta metodologa re-quiere que los diseadores entiendan cabalmente las caractersticas, capacidades y

I.3 Diseo para manufactura, ensamble, desensamble y servicio 15

limitaciones de los materiales, los procesos de manufactura y las operaciones, la maqui-naria y el equipo relativos. Este conocimiento incluye caractersticas como variabilidaden el desempeo de las mquinas, precisin dimensional y acabado superficial de la pie-za de trabajo, tiempo de proceso y el efecto del mtodo de procesamiento en la calidadde la parte.

Los diseadores y los ingenieros de producto deben ser capaces de evaluar el im-pacto de las modificaciones del diseo en la seleccin del proceso y en el ensamble, ins-peccin, herramientas y matrices, as como en el costo del producto. Establecerrelaciones cuantitativas es fundamental para optimizar el diseo, a fin de facilitar la ma-nufactura y el ensamble del producto a un costo mnimo. Los sistemas expertos (ES), quetienen capacidad de optimizacin y por lo tanto pueden agilizar el proceso iterativo tra-dicional en la optimizacin del diseo, son poderosas herramientas para dicho anlisis.

Los componentes individuales manufacturados tienen que ensamblarse en un pro-ducto. El ensamble es una fase importante de la operacin de manufactura y requiereque se consideren la facilidad, la rapidez y el costo de juntar las partes (fig. I.5). Adems,los productos deben disearse para que tambin sea posible el desensamble, a fin de de-sarmar el producto con relativa facilidad para mantenimiento, servicio y reciclamientode sus componentes. Debido a que las operaciones de ensamble pueden contribuir signi-ficativamente al costo del producto, el diseo para ensamble (DFA) y el diseo para de-sensamble son aspectos importantes de la manufactura. Un producto que se puedeensamblar fcilmente tambin se debe desensamblar fcilmente. Importantes desarrollosposteriores incluyen el diseo para servicio, cuya meta es tener fcil acceso a las partesindividuales o a los subensambles de un producto para darles servicio.

Existen metodologas y software para computadora para el DFA que utilizan dise-os conceptuales y modelos slidos en tres dimensiones (3-D). As, se minimizan lostiempos y los costos de los subensambles y ensambles mientras se mantienen la integri-dad y el desempeo del producto; el sistema tambin mejora la facilidad de desensambledel mismo. Un resultado natural de estos desarrollos es el diseo para manufactura y en-

FIGURA I.5 Nuevo diseo de partes para facilitar el ensamble. Fuente: Reimpreso de G. Boothroyd y P. Dewhurst, Pro-duct Design for Assembly, 1989. Cortesa de Marcel Dekker, Inc.

(d) (e)

(a) (b) (c)

Deficiente Bueno

La parte puede colgarse

El bisel permite que la parte caiga en su lugar

Deficiente Bueno

La parte debe soltarse antes de ubicarse

La parte se ubica antes de soltarla

Deficiente Bueno

Se puede enredar fcilmente

Slo se enreda bajo presin

Deficiente Bueno

Difcil de alimentar: las partes se traslapan

Fcil de alimentar

Deficiente Bueno

Insercin difcil

Agujero de liberacin de

aire en la pieza de trabajo

Agujero de liberacin de aire en el perno

Plano deliberacin de aire en el perno


samble (DFMA), que reconoce la relacin inherente entre la manufactura de los compo-nentes y su ensamble como producto final.

Existen varios mtodos de ensamble (por ejemplo, el uso de sujetadores o adhesi-vos, o mediante soldadura, soldadura blanda o fuerte), cada uno con sus propias carac-tersticas y requiriendo diferentes operaciones. Por ejemplo, el uso de un tornillo y unatuerca requiere la preparacin de los orificios, cuya ubicacin y tamao deben coincidir.A su vez, la produccin de los orificos requiere operaciones como el taladrado o punzo-nado, que necesitan tiempo adicional y operaciones independientes, y que tambin pro-ducen desperdicios. Por otro lado, los productos ensamblados con tornillos y tuercas sepueden desarmar y reensamblar con relativa facilidad.

Las partes individuales se pueden ensamblar a mano o mediante equipo automti-co y robots. La eleccin depende de factores como la complejidad del producto, el nme-ro de partes por ensamblar, el cuidado y la proteccin requerida para evitar el dao orayado de las superficies terminadas de las partes, y el costo relativo de la mano de obra,comparado con el de la maquinaria exigida para el ensamble automatizado.

I.4 Seleccin de materiales

Actualmente existe una creciente variedad de materiales, cada uno con sus caractersticas,aplicaciones, ventajas, limitaciones y costos (parte I). Los siguientes son los tipos genera-les de materiales utilizados en manufactura, ya sea individualmente o en combinacin conotros materiales:

Metales ferrosos: aceros al carbono, aleados, inoxidables y para herramientas ymatrices (captulo 5).

Metales no ferrosos: aluminio, magnesio, cobre, nquel, titanio, superaleaciones,metales refractarios, berilio, zirconio, aleaciones de bajo punto de fusin y metalespreciosos (captulo 6).

Plsticos (polmeros): termoplsticos, termofijos y elastmeros (captulo 7).

Cermicos, vidrios, cermicos vidriados, grafito, diamante y materiales como eldiamante (captulo 8).

Materiales compsitos: plsticos reforzados, compsitos de matriz metlica y dematriz cermica (captulo 9), conocidos tambin como materiales de ingeniera.

Nanomateriales, aleaciones con memoria de forma, aleaciones amorfas, semicon-ductores, superconductores y otros materiales avanzados con propiedades nicas(captulo 6).

El desarrollo de nuevos materiales vuelve an ms demandante la seleccin de losapropiados. Las estructuras aeroespaciales, las aplicaciones automotrices, el equipo mili-tar y los artculos deportivos se han colocado a la vanguardia en el uso de materialesnuevos. A menudo surgen nuevas tendencias en el uso de materiales en todos los produc-tos, impulsadas sobre todo por razones econmicas, aunque tambin por otras conside-raciones que se describirn a continuacin.

Propiedades de los materiales. Al seleccionar materiales para un producto, prime-ro se consideran sus propiedades mecnicas: resistencia, tenacidad, ductilidad, dureza,elasticidad, fatiga y termofluencia (captulo 2). Las propiedades mecnicas especificadaspara un producto y sus componentes deben, desde luego, ser apropiadas para las condi-ciones en que se espera que funcionen. Despus se consideran las propiedades fsicas de losmateriales: densidad, calor especfico, dilatacin y conductividad trmica, punto de fu-sin, y propiedades elctricas y magnticas (captulo 3). Una combinacin de propieda-des mecnicas y fsicas son las proporciones de resistencia a peso y rigidez a peso de losmateriales, que son particularmente importantes para las aplicaciones aeroespaciales y

I.4 Seleccin de materiales 17

automotrices, as como para artculos deportivos. Por ejemplo, el aluminio, el titanio ylos plsticos reforzados tienen generalmente mayores proporciones que los aceros y loshierros fundidos.

Las propiedades qumicas tambin desempean un papel importante, tanto en am-bientes hostiles como en los normales. La oxidacin, corrosin, degradacin general delas propiedades, toxicidad e inflamabilidad de los materiales son factores importantes quese deben considerar. Por ejemplo, en algunos accidentes de aerolneas comerciales, los hu-mos txicos han provocado muchas muertes al quemarse materiales no metlicos en lacabina de la aeronave.

Las propiedades de manufactura de los materiales determinan si se pueden fundir,formar, maquinar, unir y tratar trmicamente con relativa facilidad (tabla I.3). El mto-do o mtodos utilizados para procesar materiales en las formas finales deseadas puedenafectar el desempeo, la vida de servicio y el costo del producto.

Costo y disponibilidad. El costo y la disponibilidad de las materias primas, de losmateriales procesados y de los componentes manufacturados, son preocupaciones impor-tantes en la manufactura. Los aspectos econmicos de la seleccin de materiales son tanimportantes como las consideraciones tecnolgicas de las propiedades y caractersticas delos mismos (captulo 40). Si las materias primas, los materiales procesados o los compo-nentes manufacturados no existen en las formas, dimensiones y cantidades deseadas, se re-querirn sustitutos y/o procesamiento adicional, lo que puede afectar significativamente elcosto del producto. Por ejemplo, si necesitamos una barra redonda de cierto dimetro y noest disponible, tendremos que comprar una ms grande y reducir su dimetro por algnmedio (como maquinado, estirado a travs de una matriz o rectificado). Sin embargo, confrecuencia se puede cambiar el diseo de un producto para aprovechar las dimensionesnormales de las materias primas y evitar as costos de manufactura adicionales.

La confiabilidad del suministro y la demanda del material afectan el costo. La ma-yora de los pases importan numerosas materias primas que son fundamentales para lamanufactura. Por ejemplo, Estados Unidos importa la mayora de los siguientes materia-les: hule natural, diamante, cobalto, titanio, cromo, aluminio y nquel. Las amplias impli-caciones geopolticas de tal confianza en otros pases son evidentes. La confiabilidad delsuministro tambin es importante en algunas industrias, particularmente la automotriz,en donde es crucial que los materiales y componentes arriben a tiempo a la planta.

Los diferentes mtodos de procesamiento de los materiales tienen diferentes costos.Algunos requieren maquinaria costosa; otros, mano de obra intensiva, y los ms exigen per-sonal con habilidades especiales, un alto nivel de educacin o capacitacin especializada.

Apariencia, vida de servicio y reciclamiento. Una vez que se han manufacturadolos materiales, la apariencia de los productos influye en su atractivo para el consumidor.El color, la sensacin y la textura superficial son caractersticas que todos consideramosal decidir la compra de un producto en particular.

TABLA I.3

Caractersticas generales de manufactura de diversas aleaciones

Aleacin Fundibilidad Soldabilidad Maquinabilidad

Aluminio E R EBCobre BR R BRHierro fundido gris E D BHierro fundido blanco B MD MDNquel R R RAceros R E RZinc E D E

Nota: E, excelente; B, buena; R, regular; D, difcil; MD, muy deficiente


Tambin son importantes los fenmenos que dependen del tiempo y del servicio,como el desgaste, la fatiga, el deslizamiento y la estabilidad dimensional. Estos fenmenospodran afectar significativamente el desempeo de un producto y, si no se controlan,causar un funcionamiento deficiente o la falla del producto. Es importante adems lacompatibilidad de los materiales utilizados en un producto. La friccin y el desgaste,la corrosin (incluyendo la corrosin galvnica entre partes coincidentes pero hechas demetales no similares) y otros fenmenos pueden acortar la vida de un producto o hacerque falle prematuramente.

En la medida en que tomamos mayor conciencia sobre la necesidad de conservarrecursos y de mantener un medio ambiente limpio y saludable, adquiere ms relevanciael reciclamiento o la disposicin apropiada de los materiales componentes de un produc-to al final de su vida til. Como ejemplos estn los casos de los materiales biodegrada-bles para empaque, de las botellas de plstico reciclable y de las latas de aluminio parabebidas. El tratamiento apropiado y la disposicin de los desechos y materiales txicostambin son consideraciones importantes.

EJEMPLO I.3 Seleccin de materiales para monedas de Estados Unidos

Cada ao se acuan miles de millones de monedas. Los materiales que utiliza la Casade Moneda de Estados Unidos para fabricarlas han sufrido cambios significativos atravs de la historia, debido principalmente a la escasez de materiales y al costo cam-biante de las materias primas. En la siguiente tabla se muestra el desarrollo cronolgi-co de las sustituciones de materiales (ver captulos 5 y 6) en las monedas. Estosmateriales, o la combinacin de los mismos, necesitan impartir propiedades apropia-das a las monedas durante su circulacin y uso.

17931837 100% cobre18371857 95% cobre, 5% estao y zinc (bronce)18571863 88% cobre, 12% nquel (nquel-bronce)18641962 95% cobre, 5% estao y zinc (bronce)1943 (aos de la Segunda Acero (recubierto con zinc)

Guerra Mundial)19621982 95% cobre, 5% zinc (bronce)1982presente 97.5% zinc, recubierto con 2.5% de cobre

EJEMPLO I.4 Seleccin de materiales para bates de bisbol

Generalmente, los bates de bisbol para las Grandes Ligas se fabrican de fresno blan-co del norte debido a su alta estabilidad dimensional, mdulo elstico, relacin de re-sistencia a peso y resistencia al impacto. Los bates se fabrican en tornossemiautomticos (seccin 23.3.4) y despus se someten a operaciones de acabado(seccin 26.7). Cada vez se vuelve ms difcil encontrar el grano uniforme recto reque-rido para tales bates, particularmente cuando la mejor madera proviene de fresnosque tienen cuando menos 45 aos de edad.

Durante algunos aos se han fabricado bates de aluminio para el mercado ama-teur (parte superior de la fig. I.6) mediante diversas tcnicas de formado metlico(parte III). Aunque al principio no eran tan buenos como los de madera, la tecnologaha avanzado tanto que ahora estos bates se fabrican con tubo de aluminio de alta re-sistencia y poseen caractersticas deseables de desempeo, como distribucin del peso,centro de percusin, y dinmica del sonido y del impacto. Usualmente se rellenan conpoliuretano o corcho, para amortiguar el sonido y controlar su equilibrio. Sin embar-go, pueden ser sensibles a defectos superficiales que se desarrollan durante su uso nor-mal y suelen fallar por fatiga debido al uso repetido (carga cclica, seccin 2.7).

I.5 Seleccin de procesos de manufactura 19

Se han desarrollado materiales compsitos para bates que consisten en fibras devidrio y grafito de alta resistencia en una matriz de resina epxica (captulo 9). Elmango interno tejido (parte inferior de la fig. I.6) se fabrica con fibras de Kevlar, queagrega resistencia y amortigua las vibraciones en el bate. El precio de estos bates esde aproximadamente 125 dlares, y por su comportamiento y sonido son muy pare-cidos a los bates de madera. Fuente: Mizuno Sports Inc.

I.5 Seleccin de procesos de manufactura

La produccin de partes exige una extensa variedad de procesos de manufactura en con-tinua expansin, y por lo general hay ms de un mtodo de manufactura para una partea partir de un material dado. Las categoras de dichos mtodos son las siguientes, y se en-cuentran referidas a las partes correspondientes en el texto e ilustradas con ejemplos pa-ra cada una de ellas:

a. Fundicin: De molde desechable y de molde permanente (parte II); figura I.7a.

b. Formado y moldeado: Laminado, forjado, extrusin, estirado o trefilado, formadode lmina, metalurgia de polvos y moldeo (parte III); figuras I.7b a I.7d.

c. Maquinado: Torneado, mandrinado, taladrado, fresado, cepillado, escariado y rec-tificado, maquinado ultrasnico, maquinado qumico, elctrico y electroqumico; y

FIGURA I.6 Secciones transversales de bates fabrica-dos con aluminio (parte superior) y material compsito(parte inferior).


maquinado por rayo de alta energa (parte IV); figura I.7e; esta categora tambinincluye el micromaquinado, para producir partes de ultraprecisin (parte V).

d. Unin: Soldado, soldadura blanda, soldadura fuerte, unin por difusin, uninpor adhesivos y unin mecnica (parte VI); figura I.7f.

FIGURA I.7a Esquemas de diversos procesos de fundicin.

Fundicin de revestimiento

Fundicin centrfuga

Fundicin por compresin

Crecimiento de monocristales

Proceso rotativo

Fundicin a presin

Fundicin en arena

Fundicin a la espuma perdida

Procesos de fundicin

Modelo y moldedesechable y otros

Molde desechable, modelo permanente

Fundicin en molde de cscara

Fundicin en molde cermico

Molde permanente

Fundicin en molde permanente


FIGURA I.7b Esquemas de diversos procesos de deformacin volumtrica.

e. Acabado: Asentado, lapidado, pulido, satinado, rebabeado, tratamiento superfi-cial, recubrimiento y chapeado (captulos 26 y 35).

f. Nanofabricacin: Es la tecnologa ms avanzada, capaz de producir partes con di-mensiones en el nivel nano (una milmillonsima); tpicamente comprende procesoscomo tcnicas de ataque, haces de electrones y rayos lser. Las aplicaciones actua-les son la fabricacin de sistemas microelectromecnicos (MEMS) y sistemas na-noelectromecnicos (NEMS), que funcionan en la misma escala que las molculasbiolgicas.

La seleccin de un proceso particular de manufactura, o de una secuencia de pro-cesos, depende no slo de la forma a producir, sino tambin de factores relativos a laspropiedades de los materiales. Por ejemplo, los materiales frgiles y duros no se pueden

Formado por laminacin

Laminado plano

Laminado de anillos

Laminado de forma

Forjado de matriz abierta

Cabeceado

Forjado de matriz cerrada

Penetracin

Extrusin en fro

Estirado

Estirado de tubos

Extrusin directa

Laminacin Forjado Extrusin y estirado

Procesos de deformacin volumtrica


moldear y tampoco se les puede dar forma fcilmente, aunque se pueden fundir, maqui-nar o rectificar. Los metales a los que se ha dado forma a temperatura ambiente se vuel-ven ms fuertes y menos dctiles que como eran antes de procesarlos, y por lo tantorequieren mayores fuerzas y son menos formables durante el procesamiento posterior(secundario).

Como se describe a lo largo de este texto, cada proceso de manufactura tiene suspropias ventajas y limitaciones, capacidades de produccin y costos de productos. A me-nudo los ingenieros de manufactura se ven obligados a buscar nuevas soluciones a pro-blemas de manufactura y de reduccin de costos. Por ejemplo, las partes fabricadas con

FIGURA I.7c Esquemas de diversos procesos de formado de hojas metlicas.

Ranurado

Doblado

Plegado

Penetrado

Formado en rodillos

Formado por estirado

Hidroformado

Rechazado

Formado por pulsos magnticos

Punzonado

Embutido profunda

Troquelado

Doblado y embutido Formado

Proceso de lminas metlicas

Cizallado


hojas metlicas suelen cortarse y fabricarse mediante herramientas mecnicas comunes,troqueles y matrices. Aunque an se utilizan ampliamente, algunas de estas operacionesestn siendo reemplazadas por tcnicas de corte con lser (fig. I.8), cuya trayectoria sepuede controlar, incrementando as la capacidad para producir una amplia variedad deformas con precisin, repetitiva y econmicamente, y eliminando la necesidad de troquelesy matrices. Sin embargo, como era de esperarse, la superficie producida por el troqueladotiene caractersticas diferentes de las producidas por el corte con lser.

FIGURA I.7d Esquemas de diversos mtodos de procesamiento de polmeros.

Extrusin

Moldeo por inyeccin

Moldeo por soplado

Termoformado

Moldeo por compresin

Pultrusin

Formado por bolsa de vaco

Moldeo de transferencia

Estereolitografa

Modelado por deposicin fundida

Impresin tridimensional

Manufactura de objetoslaminados

Termoplsticos Termofijos Produccin rpida de prototipos

Procesamiento de polmeros


FIGURA I.7e Esquemas de diversos procesos de maquinado y acabado.

Taladrado Rectificado sin centrosMaquinado qumico

Maquinado por descarga elctrica con alambre

Lapeado

Rectificado de superficies

Pulido electroqumico

Torneado

Maquinado avanzado Acabado

Procesos demaquinado y acabado

Maquinado

Fresado

Brochado

Maquinado lser

Maquinado por chorro de agua


FIGURA I.7f Esquemas de diversos procesos de unin.

Soldadura por arcometlico protegido

Soldadura por arco de metal y gas

Soldadura por resistencia

Soldadura por explosin

Soldadura en fro Soldadura fuerte

Soldadura por ola

Pegado adhesivo

Conexin atornillada

Soldadura por fusin Sujecin y pegado

Procesos de unin

Soldadura por arco con ncleo de fundente

Soldadura por arcotungsteno y gas

Otra soldadura

Soldadura por agitacin friccin


FIGURA I.8 Corte de una hoja metlica con rayo lser. Fuente: Cortesa de Rofin-Sinar, Inc. y Manufacturing Engineering Magazine, Society ofManufacturing Engineers.

EJEMPLO I.5 Manufactura de una prtesis de cadera

En este ejemplo describimos los retos y las opciones comprendidas en la manufacturade un producto de importancia creciente, como es la prtesis de cadera. Cada ao serealizan ms de dos millones de cirugas de reemplazo de cadera, para tratar condicio-nes dolorosas, y con frecuencia artrticas, los cuales permiten a sus usuarios mantenerestilos de vida activos en las ltimas etapas de su existencia. Una prtesis de caderaconsta de varios componentes (fig. I.9), incluyendo un vstago, una bola, una cuencay un recubrimiento. Este ejemplo se concentra en el vstago, y se restringe a los vsta-gos metlicos, como se muestra en la figura I.10.

FIGURA I.9 Componentes de una prtesis de cadera.Fuente: Cortesa de Zimmer, Inc.

Vstago

Bola

Cuenca delhueso plvico

Recubrimiento de la cuenca

Hueso plvico

Fmur

La prtesis de cadera se somete a un ambiente muy demandante. La carga nor-mal de la prtesis en cada paso es de tres a cuatro veces el peso del cuerpo del usuarioy cada ao se dan aproximadamente dos millones de pasos, por lo que el implante sesomete a una carga de fatiga (seccin 2.7). Cuando se tropieza o se viaja, la carga pue-de ser de 10 a 15 veces el peso del cuerpo. Una vez implantada, la prtesis se rodea detejido y fluidos, cuya interaccin puede corroer el implante.


(b)

En condicin de forja(con la rebaba retirada)

Electropulido Pulido

MaquinadoMarcas

grabadas

FIGURA I.10 (a) Pasos de la manufactura de una prte-sis de cadera, formada por laminacin y maquinado; (b)pasos de la manufactura de un vstago forjado. Las prte-sis de cadera tambin se pueden producir mediante fundi-cin de revestimiento, moldeo por inyeccin de metal yotros procesos varios. Fuente: Cortesa de Zimmer, Inc.

(a)

Formado por laminado Corte con chorro

de aguaAlmohadilla unidapor difusin

Maquinado Maquinadoy pulido


Se han utilizado exitosamente varios materiales y combinaciones de procesos enlas prtesis de cadera. Los materiales se restringen a opciones aprobadas por las agen-cias gubernamentales para usarse dentro del cuerpo humano. Muchas prtesis de cade-ra se construyen con aleaciones de titanio (Ti-6Al-4V; seccin 6.7) o de cobalto-cromo(seccin 6.6), aunque tambin se utilizan el tantalio y los aceros inoxidables.

Existen varias estrategias de manufactura para producir las prtesis de cadera.Aqu se describen cuatro mtodos.

Prtesis laminadas y maquinadas. En la figura I.10a se muestra un mtodo deproduccin de prtesis para cadera, que comprende los pasos siguientes:

Se utiliza titanio en la forma de barra laminada, a fin de producir tochos para laprtesis. La barra tiene excelentes propiedades materiales y es de fcil suministro.Una preforma se produce mediante el corte con chorro de agua (seccin 27.8)

La forma general de la prtesis se produce en una fresadora CNC (seccin24.2.8). Obsrvese que en esta etapa el vstago an tiene algn material parasoporte en la mquina; estas regiones se retiran posteriormente.

Despus se sujeta una almohadilla de fibra metlica a una parte del vstago me-diante unin por difusin (seccin 31.7). El objetivo de la almohadilla es pro-mover el crecimiento del hueso dentro de ella y proporcionar una uninadecuada entre el implante y el hueso.

El vstago se termina maquinndolo y pulindolo (seccin 26.7). El maquinadoproduce la cabeza cnica, que tiene tolerancias cerradas para que pueda coinci-dir apropiadamente con la bola. Obsrvese que algunas superficies exteriores sehan pulido mucho para mejorar la resistencia a la fatiga y a la corrosin.

Antes de quedar listo para insertarlo en un paciente, se realizan extensos proce-sos adicionales, como operaciones de limpieza, pasivacin (seccin 3.8), esteri-lizacin y empaque.

Prtesis forjadas y maquinadas. En la figura I.10b se muestra otro mtodo deproduccin de prtesis para cadera, que comprende los pasos siguientes:

Primero se produce una preforma mediante forjado en caliente de un tocho deuna aleacin de cobalto-cromo (seccin 14.3). La rebaba o bigote producido enla forja de la preforma mostrada en la figura I.10b ha sido eliminada por tro-quelado y tiene dimensiones mayores, para permitir el maquinado posterior atolerancias cerradas.

Despus el vstago es producido en una fresadora CNC, se retiran las proyec-ciones restantes y se obtienen los contornos y las tolerancias requeridos. Nteseque en este paso se ha maquinado un cono en la prtesis, pues no se necesitarnoperaciones posteriores de maquinado o de soporte en un portapiezas.

El forjado en caliente produce una capa significativa de xido sobre la parte,que despus se retira mediante electropulido (seccin 26.7).

Despus la prtesis se pule para obtener la superficie lisa mostrada en la figura.Un anlisis cuidadoso muestra algunas marcas adicionales realizadas mediantegrabado con lser en el implante, para permitir al cirujano calibrar el grado deinsercin dentro del fmur.

Prtesis fundidas. Un mtodo comn en la manufactura de prtesis para cade-ra consiste en producirlas a partir de una aleacin cobalto-cromo, mediante el mto-do de fundicin de revestimiento (seccin 11.2.6). En este proceso se elaboranmodelos de cera de la prtesis, se ensamblan en un rbol y se recubren con cermi-ca. Se invierte el molde y se coloca dentro de un horno, en donde se funde y retira lacera y se funden las partculas cermicas para aumentar la resistencia del molde. stese calienta y se coloca en una mquina de fundicin, en donde se invierte y se llenacon metal fundido. Despus de que el molde se enfra, solidificando el metal, ste seretira del rbol y se maquina como se indic antes, para alcanzar las tolerancias di-mensionales deseadas y los acabados superficiales.


Metalurgia de polvos. Tambin se pueden producir prtesis para cadera me-diante el moldeo por inyeccin de metal. En este proceso (seccin 17.3), un molde ca-lentado tiene una cavidad que coincide con la geometra del vstago y se llena con unamezcla viscosa de polvo metlico y aglutinantes. El aglutinante se funde dentro de di-cho molde, por lo que cuando se expele la parte tiene suficiente resistencia para pro-psitos de manipulacin. Despus la prtesis se pasa a un horno, donde se quema elaglutinante y se sinterizan (se unen) las partculas metlicas, para darle suficiente re-sistencia al implante.

Claramente, existen varios procesos de manufactura y combinaciones de mate-riales para fabricar estos implantes que han tenido xito comercial. Muchos productosposeen ms de una ruta de manufactura viable; seleccionar la adecuada es una de lastareas ms creativas y desafiantes a las que se enfrentan los ingenieros de manufactura.

Fuente: Cortesa de M. Hawkins, Zimmer, Inc.

Precisin dimensional y acabado superficial. Las dimensiones y la complejidadde una parte tienen una influencia importante en el proceso de manufactura seleccionadopara producirla. Por ejemplo, (a) las partes planas con secciones transversales delgadas nose pueden fundir de modo apropiado; (b) las partes complejas no se pueden conformar f-cil y econmicamente, en tanto que es posible fundirlas o fabricarlas de otra manera apartir de piezas individuales; (c) las tolerancias dimensionales y el acabado superficial ob-tenido en las operaciones de trabajo en caliente no pueden ser tan finas como las conse-guidas en las operaciones de trabajo en fro (formado a temperatura ambiente), porque atemperaturas elevadas se presentan cambios dimensionales, distorsin y oxidacin de lasuperficie; y (d) algunos procesos de fundicin producen un mejor acabado superficialque otros, debido a los diferentes tipos de materiales de moldeo utilizados.

Los tamaos y las formas de los productos manufacturados varan ampliamente.Por ejemplo, el tren de aterrizaje principal del jet comercial de 400 pasajeros Boeing 777,de dos motores, tiene 4.3 m (14 pies) de alto, con tres ejes y seis ruedas; est fabricadomediante una combinacin de procesos de forjado y maquinado. El dimetro de una rue-da (cangilones y cubierta) de una turbina hidrulica es de 4.6 m (180 pulgadas) y pesa50,000 kg (110,000 libras); se fabrica mediante fundido en arena. El rotor de una turbi-na de vapor grande se fabrica mediante forjado en caliente y maquinado y pesa 300,000 kg(700,000 libras).

En el otro extremo dimensional se encuentran la produccin de engranes microsc-picos (fig. I.11a) y el producto mostrado en la figura I.11b. En este mecanismo se suspen-de un espejo de una viga giratoria y se puede inclinar mediante atraccin electrosttica,al aplicar un voltaje en cualquier lado del espejo (obsrvese la escala de 100 m en laparte inferior de la figura). A estas operaciones de manufactura se les denomina nanofa-bricacin.

Las tcnicas y la maquinaria de manufactura de ultraprecisin se han desarrolladorpidamente y se estn volviendo de uso ms comn. Por ejemplo, para maquinar super-ficies metlicas como espejos, la herramienta de corte es un diamante muy afilado y elequipo tiene una rigidez muy elevada; se acciona en un cuarto donde la temperatura secontrola en 1 C. Se estn implantando tcnicas muy sofisticadas, como la epitaxia dehaz molecular y la ingeniera de exploracin-perforacin, para obtener precisiones delorden de la red atmica (0.1 nm; 1028 pulgadas).

Costos operativos y de manufactura. El diseo y costo del herramental, el tiem-po requerido para iniciar la produccin y el efecto del material de la pieza de trabajo enla vida de la herramienta y de la matriz son otros factores que se deben considerar. Segnel tamao y la forma del producto, el costo del herramental puede ser sustancial. Porejemplo, un juego de matrices de acero para estampar defensas de lmina metlica paraautomviles podra costar alrededor de 2 millones de dlares. En las partes fabricadascon materiales costosos, cuanto menor sea el volumen de desperdicio, ms econmico re-sultar el proceso de produccin; por ello, se debe hacer cualquier intento por minimizar


FIGURA I.11 (a) Engranes microscpicos con caro del polvo. Fuente:Cortesa de Sandia National Laboratory; (b) Microespejo mvil compo-nente de un detector de luz. Fuente: Cortesa de Richard Mueller, Univer-sity of California en Berkeley.

el desperdicio. En la medida en que genera virutas, el maquinado no puede ser econmicoen comparacin con las operaciones de formado si se mantienen iguales todos los otrosfactores.

La disponibilidad de mquinas y equipo dentro de la instalacin manufacturera,as como la experiencia del personal operativo, tambin son factores importantes delcosto. Si no se cuenta con estas capacidades, algunas partes tienen que manufacturarseen compaas externas (outsourcing). Por ejemplo, los fabricantes de automviles y apa-ratos domsticos compran muchas partes de proveedores externos, o piden a firmas ex-ternas que los fabriquen conforme a sus especificaciones.

La cantidad de partes a fabricar y la capacidad de produccin (piezas por hora)son importantes para determinar los procesos que se utilizarn y la economa de la pro-duccin. Por ejemplo, las latas para bebidas, los engranes y las computadoras se produ-cen en nmeros y a velocidades mucho mayores que los motores para aviones, tractores

(a)

(b)

Espejo de 550 m de dimetro

Bisagra de torsin

Dientes del peine mvil

Dientes del peine fijo

Ancla


o embarcaciones. Las cantidades pequeas (lotes de pequeo tamao) se pueden manu-facturar en talleres con mquinas de propsito general. La produccin de lotes peque-os, de entre 10 y 100 al ao, se realiza en mquinas similares, as como en mquinascon diversos controles computarizados. Usualmente, la produccin en lotes comprendetamaos de lote de entre 100 y 5000, y con frecuencia la produccin en masa es superiora 100,000, utilizando maquinaria de propsito especial (mquinas dedicadas) y diversosequipos automatizados para transferir materiales y partes.

El proceso de manufactura en particular y la operacin de la maquinaria puedenafectar significativamente el medio ambiente y la seguridad. Eso sucede, por ejemplo, alusar lubricantes a base de petrleo en las operaciones de trabajo en caliente de los meta-les, o al emplear diferentes productos qumicos en las operaciones de tratamiento por ca-lor, recubrimiento y limpieza. A menos que se controlen de manera apropiada, estas yotras actividades pueden contaminar el aire o el agua, o causar ruido. El uso con seguri-dad de la maquinaria es una consideracin adicional importante, que requiere precaucio-nes para eliminar riesgos en el lugar de trabajo.

Consecuencia de la seleccin inapropiada de materiales y procesos. Se pue-den proporcionar numerosos ejemplos de fallas de productos debidas a la seleccin ina-propiada de materiales o procesos de manufactura, o al control insuficiente de lasvariables del proceso. Generalmente se considera que ha fallado un componente o unproducto cuando:

Deja de funcionar (rotura de flecha, engrane, tornillo, cable o labe de turbina).

No funciona apropiadamente o no satisface las especificaciones requeridas (des-gaste de rodamientos, engranes, herramientas y matrices).

Resulta poco confiable o inseguro para usos posteriores (grieta en una flecha, co-nexin deficiente en un tablero de circuito impreso o delaminacin de un compo-nente de plstico reforzado).

A lo largo de este texto, describiremos los tipos de falla de un componente o de unproducto debido a posibles deficiencias de diseo, seleccin inapropiada de materiales,defectos de materiales, defectos inducidos por la manufactura, ensamble inapropiado decomponentes y uso inapropiado del producto.

Manufactura de forma neta. Es posible que un proceso particular de manufacturano produzca una parte terminada, por lo que podran necesitarse operaciones adiciona-les. Por ejemplo, una parte forjada puede no tener las dimensiones deseadas o el acabadosuperficial; en consecuencia, haran falta operaciones adicionales, como el maquinado o elrectificado. De igual manera, puede ser difcil, imposible o antieconmico producir unaparte con orificios utilizando un solo proceso de manufactura, y por lo tanto podra re-querirse algn proceso posterior, como el taladrado, o producir el orificio utilizando di-versos mtodos avanzados, como medios qumicos o elctricos. Adems, es posible quelos orificios producidos mediante un proceso particular de manufactura no tengan la re-dondez, la precisin dimensional o el acabado superficial apropiado, por lo que requie-ran una operacin adicional, como el asentado.

Las operaciones adicionales en una parte pueden contribuir significativamente alcosto de un producto. En consecuencia, el concepto de forma neta, o manufactura cerca-na a la forma neta, se ha vuelto muy importante, debido a que la parte se fabrica lo mscerca posible de las dimensiones finales deseadas, tolerancias, acabado superficial y espe-cificaciones mediante la primera operacin. Ejemplos caractersticos de dichos mtodosde manufactura son el forjado (captulo 13) y la fundicin (captulo 11), estampado delminas metlicas (captulo 16), moldeo de plsticos por inyeccin (captulo 19) y com-ponentes fabricados mediante tcnicas de metalurgia de polvos (captulo 17).


EJEMPLO I.6 Manufactura de un salero y molino de pimienta

Un producto utilizado comnmente en el hogar es el juego de salero y molino para pi-mienta. El mostrado en la figura I.12 contiene componentes metlicos y no metlicos;los principales se producen mediante el moldeo por inyeccin de un termoplstico,como el acrlico, que tiene tanto transparencia como otras caractersticas deseables yadems es fcil de moldear. La tapa del salero se fabrica con lmina metlica y se re-cubre para resaltar su apariencia. La perilla en la tapa del molino se fabrica mediantemaquinado y se rosca en el interior para permitir atornillarla y desatornillarla. La va-rilla cuadrada que conecta la tapa del molino a las dos piezas mostradas en la parteinferior de la figura se produce mediante laminado. Los dos componentes de molien-da estn hechos de acero inoxidable por medio de tcnicas de metalurgia de polvos.Un anlisis indic que fundirlos o maquinarlos habra sido muy costoso.

I.6 Diseo y manufactura conscientedel medio ambiente

Slo en Estados Unidos, cada ao se desechan nueve millones de automviles de pasaje-ros y aproximadamente 300 millones de llantas, de las cuales cerca de 100 millones sereutilizan de diversas maneras. Cada ao se desechan ms de cinco mil millones de kilo-gramos de productos plsticos, y cada tres meses las industrias y los consumidores dese-chan aluminio suficiente para reconstruir la flota area comercial del pas. Adems, (a) seutilizan lubricantes y refrigerantes en la mayora de las operaciones de manufactura; (b)diversos fluidos y solventes que se utilizan en productos manufacturados para limpiezacontaminan el aire y las aguas durante su uso; (c) muchos artculos derivados de las plan-tas de manufactura se han desechado por aos (por ejemplo, arena con aditivos empleadaen los procesos de fundicin de metales; agua, aceite y otros fluidos de las instalaciones detratamiento por calor y de las operaciones de recubrimiento; escoria de las fundiciones yde las operaciones de soldadura); y (d) una amplia variedad de chatarra metlica y no me-tlica, producida en operaciones como el formado de hojas, fundicin y moldeo.

FIGURA I.12 Juego de salero y molino de pi-mienta. Las dos piezas metlicas (en la parte infe-rior) del molino se fabrican mediante tcnicas demetalurgia de polvos. Fuente: Reproducido con per-miso de Success Stories on P/M Parts, Metal PowderIndustries Federation, Princeton, NJ, 1998.

I.7 Manufactura integrada por computadora 33

Los efectos adversos de estas actividades, el dao que provocan a nuestro ambien-te y al ecosistema de la Tierra, y, finalmente, su efecto sobre la calidad de la vida huma-na, son bien reconocidos. Las mayores preocupaciones son la contaminacin del agua ydel aire, la lluvia cida, la reduccin de la capa de ozono, el efecto invernadero, los resi-duos peligrosos, la filtracin de los rellenos sanitarios y el calentamiento global. En res-puesta a estas inquietudes, en Estados Unidos y en otros pases industrializados se hanpromulgado numerosas leyes y reglamentos.

Se puede ganar mucho mediante un anlisis detallado y cuidadoso de los produc-tos, su diseo, los tipos de materiales que se utilizan en su fabricacin, los procesos demanufactura y las prcticas empleadas para elaborarlos, as como los desperdicios pro-ducidos. Para dicho anlisis, se pueden seguir algunos lineamientos:

Reducir el desperdicio de materiales mediante el refinamiento del diseo del pro-ducto y la reduccin de la cantidad de materiales utilizados.

Reducir el uso de materiales peligrosos en productos y procesos.

Realizar investigacin y desarrollo en productos ambientalmente seguros y en tec-nologas de manufactura.

Asegurar el adecuado manejo y disposicin de todo desecho.

Realizar mejoras en el reciclamiento, tratamiento de residuos y reutilizacin demateriales.

A menudo tienen lugar desarrollos importantes relacionados con estas materias yahora es comn el uso del concepto diseo y manufactura consciente del medio ambienteen las industrias manufactureras. Se hace un nfasis importante en el diseo para el medioambiente (DFE) o diseo verde. Este mtodo se anticipa al posible impacto adverso de ma-teriales, productos y procesos en el ambiente, para que pueda tenerse en cuenta en las eta-pas iniciales de diseo y produccin. Los principales objetivos son evitar la contaminacinen la fuente y promover el reciclamiento y la reutilizacin en lugar de la disposicin. Estasmetas han llevado al concepto de diseo para reciclamiento (DFR). El diseo verde tieneimplicaciones de largo alcance para muchos de los procesos de manufactura. Por ejemplo,en la industria automotriz se desea mejorar la economa del combustible sin comprometerel desempeo, la seguridad o el lujo. Una manera de alcanzar simultneamente estas metases utilizar materiales con una alta relacin de resistencia a peso, que ha promovido la con-sideracin de aleaciones de aluminio, compsitos de polmeros de matriz metlica y refor-zados con fibras, y la optimizacin de diseos en todos los automviles.

En la industria automotriz de Estados Unidos, por ejemplo, aproximadamente75% de las partes automotrices, en su mayora metales, ahora se recicla, y existen planespara reciclar el resto tambin, incluyendo plsticos, vidrio, hule y espuma. Los beneficiosdel reciclamiento tambin son evidentes en un estudio donde se muestra que produciraluminio a partir de chatarra, en lugar de mineral de bauxita, cuesta slo una terceraparte y reduce el consumo de energa y la contaminacin en ms de 90%. Por otra par-te, los cartuchos para copiadoras e impresoras son retornables al fabricante, quien los re-para, les reemplaza algunas partes y los vende nuevamente. Esto significa que loscartuchos deben disearse para facilitar el desensamble, usando ajustes a presin en lu-gar de tornillos, que requieren mayor tiempo para ser retirados.

Las normas ISO 14000 se refieren a la administracin del medio ambiente. Esta-blecen lo que una compaa puede hacer para minimizar los daos ambientales provoca-dos por sus actividades y lograr una mejora continua de su desempeo ambiental.

I.7 Manufactura integrada por computadora

Luego de comenzar con las grficas computarizadas, el modelado, el diseo y la manufac-tura asistidos por computadora, el uso de estas mquinas se ha extendido a la manufactu-ra asistida por computadora (CIM), en la que se integran el software y el hardware desde


la concepcin del producto hasta su distribucin en el mercado. La manufactura asistidapor computadora es particularmente efectiva debido a su capacidad para hacer posible:

Responder a los rpidos cambios en la demanda del mercado y las modificacionesdel producto.

Utilizar mejor los materiales, la maquinaria y el personal, y reducir inventarios.

Controlar mejor la produccin y la administracin de la operacin total de manu-factura.

La manufactura de productos de alta calidad a bajo costo.

La siguiente es una descripcin de las aplicaciones importantes de las computado-ras en la manufactura, que se describen con detalle en los captulos 38 y 39:

a. Control numrico computarizado (CNC). Implantado al comenzar la dcada de1950, es un mtodo que controla los movimientos de los componentes de una mqui-na mediante la insercin de instrucciones codificadas en forma de datos numricos.

b. Control adaptable (AC). Los parmetros de un proceso de manufactura se ajustanautomticamente tanto para optimizar la velocidad de produccin y la calidad delproducto como para minimizar el costo. Se supervisan con frecuencia parmetrostales como fuerzas, temperaturas, acabado superficial y dimensiones de la parte; sise salen de un rango aceptable, el sistema ajusta las variables del proceso hasta quelos parmetros caen otra vez dentro del rango especificado.

c. Robots industriales. Introducidos al comenzar la dcada de 1960, los robots indus-triales (fig. I.13) han reemplazado a los seres humanos en operaciones repetitivas, pe-ligrosas y aburridas, reduciendo la posibilidad de errores humanos y la variabilidaden la calidad del producto, adems de mejorar la productividad. Se han desarrolladorobots con capacidades de percepcin sensorial (robots inteligentes), con movimien-tos que simulan los de los hombres.

d. Manejo automatizado de materiales. Las computadoras han hecho posible un ma-nejo muy eficiente de materiales y componentes en diversas etapas de terminacin(trabajo en proceso), por ejemplo, cuando se transportan del almacenamiento a lasmquinas, de mquina a mquina y a puntos de inspeccin, inventario y embarque.

FIGURA I.13 Soldadura por puntos automatizada para cuerposde automviles en una lnea de produccin en masa. Fuente: Cortesade Ford Motor Company.

I.7 Manufactura integrada por computadora 35

e. Sistemas de ensamble automatizado y robticos. Han reemplazado principalmenteel costoso ensamble efectuado por operadores humanos, quienes, sin embargo, antienen que realizar algunas de estas operaciones. Ahora los productos se disean, oredisean, para que se puedan ensamblar de modo ms fcil y rpido mediantemquinas.

f. Planeacin de procesos asistida por computadora (CAPP). Este sistema puede me-jorar la productividad optimizando los planes de procesos, reduciendo los costosde planeacin y mejorando la consistencia de la calidad y confiabilidad del produc-to. Tambin incorpora funciones como la estimacin de costos y la supervisin delas normas de trabajo (tiempo requerido para realizar cierta operacin).

g. Tecnologa de grupos (GT). Este concepto significa que las partes se pueden agru-par y producir clasificndolas en familias, de acuerdo con las similitudes tanto dediseo como de los procesos de manufactura utilizados para fabricarlas. De estamanera, es posible estandarizar los diseos y los planes de proceso de las partes,con lo cual las familias o partes similares se pueden producir de modo eficiente yeconmico.

h. Produccin justo a tiempo (JIT). Su caracterstica principal es que las materiasprimas, las partes y los componentes se suministran al fabricante justo en el mo-mento en que se van a utilizar; las partes y los componentes se producen justocuando se van a integrar a subensambles y ensambles, y los productos se termi-nan justo a tiempo para entregarse al cliente. El resultado es que los costos demanejo de inventarios son bajos, los defectos de las partes se detectan de inme-diato, se aumenta la productividad y se fabrican productos de alta calidad a ba-jo costo.

i. Manufactura celular (CM). Este sistema utiliza estaciones de trabajo (celdas demanufactura) que, por lo general, contienen varias mquinas de produccin con-troladas por un robot central; cada mquina realiza una operacin distinta sobrela parte.

j. Sistemas de manufactura flexible (FMS). Esto

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