Tecnologías de Fabricación1

Miguel Moro Vallina21Apuntes preparados a partir de Serope Kalpakjian y Steven R. Schmid: Ma- nufactura, ingeniería y tecnología.

México, 2002: Pearson Educación. Los apuntes co- rresponden a la asignatura homónima del Plan de Estudios de 2001 de Ingeniería Industrial de la uned.

2Correo: narodnaia@gmail.com. Web: http://narodnaia.googlepages.com

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E

X.

Tema 1 Introducción a la fabricación1.1. Qué es la manufactura

La manufactura, en su sentido más amplio, es el proceso de convertir la materia prima en productos. Incluye el diseño del producto, la selección de la materia prima y la secuencia de procesos a través de los cuales será manufactura- do el producto. Como actividad económica, la manufactura comprende entre el veinte y el treinta por ciento del valor de todos los bienes y servicios producidos.

La manufactura puede producir productos discretos, i.e. piezas individuales, o productos continuos.

1.2. El proceso de diseño y la ingeniería concu-

rrenteTradicionalmente, las actividades de diseño y manufactura han ocurrido de manera secuencial,

más que de manera concurrente o simultánea. Aunque esta secuencia parece lógica y sencilla, es un procedimiento que desperdicia de forma extrema los recursos. Por ello, se está abriendo paso la ingeniería concurrente o simultánea.

Clave para el nuevo procedimiento es la importancia ahora bien reconocida de la comunicación dentro de y entre las disciplinas. Esto es, del mismo modo que debe existir comunicación entre las diferentes funciones de ingeniería, marketing y servicio, debe también existir interacción entre subdisciplinas de ingeniería, por ejemplo diseño para la manufactura, reciclabilidad de diseño y diseño para la seguridad.

La ingeniería concurrente es un procedimiento sistemático que integra el diseño y la manufactura de los productos, manteniendo a la vista la optimiza-

4 1.2. El proceso de diseño y la ingeniería concurrente

ción de todos los elementos que forman parte del ciclo de vida del producto. El ciclo de vida implica que todos los aspectos de un producto —diseño, desa- rrollo, producción, distribución, uso, eliminación y reciclado— se consideran de manera simultánea. Las metas básicas de la ingeniería concurrente son reducir los cambios en el diseño e ingeniería de producto y reducir el lapso que media entre el diseño del producto y su introducción en el mercado, así como los costos asociados a ese tiempo.

Tanto para empresas grandes como pequeñas, el diseño del producto con- lleva, a menudo, la preparación de modelos analíticos y físicos del mismo, como ayuda para estudiar factores tales como las fuerzas, los esfuerzos, las deflexio- nes y la forma óptima de la pieza. La necesidad de estos modelos depende de la complejidad del producto. Hoy en día, el estudio de modelos analíticos se ha simplificado mediante el uso del diseño asistido por computadora (cad) y de ingeniería y manufactura asistida por computadora (cae y cam, respectivamen- te). El cad permite conceptualizar objetos con mayor facilidad, sin tener que elaborar ilustraciones, modelos o prototipos costosos. Usando la cae se puede simular, analizar y probar con mayor precisión y más rápido el desempeño de estructuras sujetas a cargas estáticas o fluctuantes y a temperaturas variables. Por último, la cam involucra todas las fases de la manufactura, al utilizar y procesar aún más la gran cantidad de información sobre materiales y procesos recolectados y almacenados en la base de datos de la organización.

Posteriormente a la utilización de estas técnicas asistidas por computadora, suele ser necesario fabricar un prototipo, i.e., un modelo original del producto que funcione. Un desarrollo reciente importante es el llamado prototipado rápido, que se apoya en técnicas asistidas por computadora y en diversas técnicas de manufactura —con el uso de materiales tanto metálicos como no metálicos— para producir prototipos de manera rápida, en forma de un modelo sólido y de bajo costo de una determinada pieza física.

Las pruebas de prototipos deben ser diseñadas para simular, de forma tan real como sea posible, las condiciones bajo las cuales se va a usar el produc- to. Estas condiciones incluyen los factores ambientales —como temperatura y humedad— y los efectos de la vibración y el uso (y el mal uso) repetido del producto. Las técnicas de ingeniería asistida por computadora son capaces de llevar a cabo estas simulaciones de manera rápida y completa.

Durante la prueba del prototipo, quizá resulte necesario efectuar modifi- caciones en el diseño, materiales o métodos de producción originales. Una vez terminada esta fase, se seleccionan los procesos apropiados, métodos de manu- factura y equipo, así como las herramientas, etc.

Parece ser que, en el pasado, muchos productos han sido sobrediseñados, i.e., que eran demasiado voluminosos, estaban fabricados con materiales de calidad demasiado elevada, o con una precisión y calidad no necesaria para los usos pretendidos. Muchos fabricantes creen que si un producto funciona bien durante un largo período de tiempo, podría haber sido sobrediseñado. En estos casos, la empresa podría reducir los materiales y/o los procesos empleados.

1. Introducción a la fabricación 5

1.3. Diseño para la manufactura, ensamblaje, de-

sensamblaje y servicioComo ya se ha mencionado, el diseño y la manufactura deben estar estrecha- mente

interrelacionados, y no deben nunca verse como disciplinas o actividades por separado. Esta visión ampliada ha sido reconocida como el área de diseño para la manufactura (dfm). Se trata de un procedimiento completo para la pro- ducción de bienes, e integra el proceso de diseño con los materiales, métodos de manufactura, planificación de procesos, ensamblaje, prueba y garantía de calidad.

El diseño, ingeniería y manufactura asistidos por computadora, y las técni- cas de planificación de procesos, empleando grandes programas de computadora, se han hecho indispensables para aquellos que llevan a cabo dichos análisis. Los nuevos desarrollos incluyen sistemas expertos, que tienen capacidades de opti- mización y por lo tanto pueden acelerar el proceso iterativo tradicional de la optimización del diseño.

Una vez que se han manufacturado las partes individuales, deben ensam- blarse en un producto. El ensamblaje es una parte importante de la operación general de manufactura y es preciso considerar la facilidad y la velocidad con las que puede efectuarse, así como el costo de las piezas. Asimismo, muchos productos deben diseñarse de manera que sea posible su desensamblaje, a fin de permitir que se desarme el producto para su mantenimiento, servicio o para el reciclaje de sus componentes.

Dado que las operaciones de ensamblaje pueden contribuir notablemente al costo del producto, el diseño para el ensamblaje (dfa), así como el diseño para el desensamblaje, se reconocen ahora como aspectos importantes de la ma- nufactura. Comúnmente, un producto que es fácil de ensamblar también será fácil de desensamblar. La tendencia más reciente incluye ahora el diseño para el servicio, cuya meta es que las partes individuales y subensambles de un pro- ducto sean fáciles de alcanzar, para poderles dar servicio. La tendencia actual es combinar el diseño para la manufactura y el diseño para en ensamblaje en un diseño más completo para la manufactura y el ensamblaje (dfma), que reconoce la relación inherente entre la manufactura de los componentes y su ensamblaje en un producto final.

1.4. Selección de materialesLos tipos generales de materiales empleados hoy en día en la manufactura son los siguientes:

– Metales ferrosos: aceros al carbono y aleados, acero inoxidable, aceros para

herramientas y dados.

– Metales no ferrosos: aluminio, magnesio, cobre, níquel, titanio, superalea- ciones, metales refractarios, berilio, circonio, aleaciones de bajo punto de

6 1.4. Selección de materiales

fusión y metales preciosos.

– Plásticos: termoplásticos, plásticos termoestables y elastómeros.

– Cerámicas, cerámicas vitrificadas, vidrios, grafitos, diamante —y otros

materiales semejantes a este último—.

– Composites: plásticos reforzados, matriz de metal y matriz de cerámica.

Algunas veces, a éstos se les denomina también materiales de ingeniería.

– Materiales especiales: nanomateriales, aleaciones con memoria de forma, aleaciones amorfas, superconductores y otros materiales diversos con pro- piedades únicas.

Las estructuras aeroespaciales y los productos deportivos han ocupado la pri- mera línea en la aplicación de los nuevos materiales. Para las estructuras de las aeronaves comerciales la tendencia es a utilizar más titanio y composites, con una reducción gradual en el uso de aluminio y acero.

Propiedades de los materiales Al seleccionar los materiales para los produc- tos, primero se consideran sus propiedades mecánicas —resistencia, tenacidad, ductilidad, dureza, elasticidad, fatiga y fluencia1—. Las relaciones entre resis- tencia y peso y entre rigidez y peso también son importantes, particularmente en aplicaciones aeroespaciales y automotrices. El aluminio, el titanio y los plás- ticos reforzados, por ejemplo, tienen relaciones de este tipo más elevadas que los aceros y los hierros fundidos. Las propiedades mecánicas deben valorarse consi- derando las condiciones específicas en las que el producto deberá funcionar.

A continuación deben tenerse en cuenta las propiedades físicas de los ma- teriales —calor específico, dilatación y conductividad térmica, punto de fusión y propiedades eléctricas y magnéticas—. Las propiedades químicas también de- sempeñan un papel significativo, tanto en entornos hostiles como normales. La oxidación, la corrosión, la degradación general de las propiedades, toxicidad e inflamabilidad están entre los factores que deben considerarse.

Por último, las propiedades de manufactura de los materiales determinan si pueden ser fundidos, formados, maquinados, soldados o sujetos a tratamiento térmico con relativa facilidad.

Costo y disponibilidad Si no hay disponibles materias primas procesadas o componentes manufacturados en la forma, dimensión y calidad deseadas, se hará necesario recurrir a sustitutos y/o al procesamiento adicional; éstos pueden contribuir de manera significativa al costo del producto. A menudo, un diseño de producto se puede modificar para aprovechar las dimensiones estándar de las materias primas, y por tanto evitar los costos de manufactura adicionales. En la disponibilidad de las materias primas hay que considerar especialmente la fiabilidad de su suministro. La mayor parte de los países importan numerosas

1Empleamos el término de «fluencia» en lugar de «cedencia», que es el que emplean los traductores del texto.

1. Introducción a la fabricación 7

materias primas esenciales para su producción. Estados Unidos, por ejemplo, importa la mayor parte de los volúmenes que emplea de materias primas como el hule natural, diamante, cobalto, titanio, cromo, aluminio y níquel.

1.5. Selección de los procesos de manufacturaLos principales procesos de manufactura son los siguientes:

– Fundición: de molde desechable y de molde permanente.

– Formado y conformado: laminación, forja, extrusión, estirado, formado de

lámina, pulvimetalurgia y moldeo.

– Maquinado: torneado, taladrado, barrenado, fresado, cepillado, brochado y esmerilado, maquinado ultrasónico, maquinado eléctrico, electroquímico, y maquinado de haz de alta energía.

– Unión: soldadura con y sin aporte de material, soldadura blanda, unión

por difusión, unión adhesiva, y unión mecánica.

– Acabado: asentado, lapeado, pulido, bruñido, desbarbado, tratamiento su-

perficial, recubrimiento y depósito.

Las operaciones de acabado pueden contribuir de forma significativa al costo de un producto. En consecuencia, la tendencia ha sido pasar de la manufactura de la forma neta o cercana a la forma terminada, en la cual la pieza se fabrica en la primera operación, tan cerca de las dimensiones, tolerancias, acabado superficial y especificaciones finales deseadas como sea posible. Los ejemplos típicos de este tipo de manufactura son la forja de forma neta o cercana a la forma terminada, la fundición de piezas, el estampado de piezas de lámina de metal, el moldeo por inyección de plásticos y la fabricación de componentes mediante técnicas de pulvimetalurgia.

1.6. Manufactura integrada por computadoraLas metas principales de la automatización en instalaciones de manufactura es integrar diversas

operaciones de forma que se mejore la productividad, se incremente la calidad y la uniformidad del producto, se minimicen los tiempos del ciclo y se reduzcan los costes de mano de obra.

Pocos desarrollos en la historia de la manufactura han tenido un impacto tan significativo como las computadoras, que se emplean ahora en una amplia gama de aplicaciones que incluyen el control y la optimización de los procesos de manufactura, manejo de materiales, ensamblaje, inspección y prueba au- tomatizada de los productos, control de inventarios y numerosas actividades administrativas. El uso de las computadoras se ha extendido a la llamada ma- nufactura integrada por computadora (cim). Las principales aplicaciones de las computadoras en la manufactura son, en resumen, las siguientes:

8 1.6. Manufactura integrada por computadora

– Control numérico por computadora (cnc). Se trata de un método para controlar los movimientos de los componentes de las máquinas mediante la inserción directa de instrucciones codificadas en forma de datos numéricos. El control numérico fue implementado por vez primera en la década de los cincuenta, constituyendo un adelanto de importancia en la automatización de las máquinas.

– Control adaptativo (ac). Los parámetros en un proceso de manufactura se ajustan de manera automática para optimizar la tasa de producción y la calidad del producto y minimizar el costo. Los parámetros como fuerza, temperaturas, acabado superficial y dimensiones de la pieza se vigilan de manera constante. Si se mueven fuera del rango aceptable, el sistema ajusta las variables del proceso hasta que los parámetros quedan de nuevo dentro del rango de valores determinado.

– Robots industriales. Introducidos a comienzos de la década de los sesenta, los robots industriales han venido reemplazando a los seres humanos en toda una serie de operaciones. Se están desarrollando robots con capaci- dades de percepción sensorial (robots inteligentes), con movimientos que simulan los de los seres humanos.

– Manejo automatizado de los materiales, tanto en las diversas etapas de fabricación como en el movimiento de almacenes y de unas máquinas a otras, así como en los puntos de inspección de inventarios y embarques.

– Sistemas de ensamble automatizados y robóticos. Los productos tienden a ser diseñados de forma que puedan ensamblarse más fácilmente a máquina.

– Planificación de procesos asistida por computadora (capp). Esta herra- mienta permite mejorar la productividad en una planta al optimizar los planes de proceso, reducir los costos de planificación y mejorar la con- sistencia de la calidad y la fiabilidad del producto. Al sistema pueden incorporarse también funciones tales como la estimación de los costos y la vigilancia de los estándares de trabajo.

– Tecnología de grupo (gt). Las piezas se pueden agrupar y producir clasifi- cándolas en familias, de acuerdo con similitudes de diseño y similitudes en los procesos de manufactura empleados para su producción. Así pueden es- tandarizarse los diseños de las piezas y los planes de proceso, y las familias de partes similares pueden producirse de manera eficiente y económica.

– Producción justo a tiempo (jit). Los suministros se entregan justo a tiem- po para subensamblarlos y ensamblarlos, los productos se terminan justo a tiempo para ser entregados al cliente. Lo esencial es que los costos de inventario se reduzcan, los defectos de las piezas se detecten de inmediato, se incremente la productividad y se fabriquen productos de alta calidad a bajo costo.

– Manufactura celular. Consiste en la utilización de estaciones de trabajo —celdas de manufactura—, que por lo general contienen varias máqui- nas controladas por un robot central, cada una de las cuales ejecuta una operación diferente sobre la pieza.

1. Introducción a la fabricación 9

– Sistemas de manufactura flexible (fms). Esta metodología integra las cel- das de manufactura en una unidad grande, toda ella con un interfaz con una computadora central. Aunque son muy costosos, estos sistemas son capaces de producir con eficiencia partes en pequeños lotes y modificar secuencias de manufactura de diferentes piezas de manera rápida; esta fle- xibilidad les permite hacer frente a cambios rápidos en la demanda del mercado para diversos tipos de productos.

– Sistemas expertos. Se trata de programas complejos de computadora, que están desarrollando con rapidez la capacidad de llevar a cabo tareas y resolver problemas difíciles de la vida real, de manera muy similar a la forma como lo harían los seres humanos.

– Inteligencia artificial (ai). Los sistemas controlados por computadora se están haciendo cada vez más capaces de aprender de la experiencia y de to- mar decisiones que optimizan las operaciones y que minimizan los costos. Las redes neuronales artificiales, que se diseñan para emular los procesos de pensamiento del cerebro humano, tienen la capacidad de moldear y simular situaciones de producción, y controlar y supervisar procesos de manufactura, diagnosticar problemas en el desempeño de las máquinas, llevar a cabo planificación financiera y administrar la estrategia de manu- factura de la empresa.

– Manufactura compartida. Consistiría en una red regional o nacional de ins- talaciones de manufactura, con equipo de punta para la capacitación, el desarrollo de prototipos y de lotes de producción en pequeña escala, y es- taría disponible para ayudar a pequeñas empresas a desarrollar productos que compitan en el mercado mundial.

1.7. Garantía y administración total de la calidadEn un sentido amplio, la calidad es una característica o propiedad forma- da por varias

consideraciones técnicas y estéticas bien definidas. De manera tradicional, la garantía de la calidad se ha obtenido al inspeccionar las piezas después de su manufactura. ÃĽstas son inspeccionadas para asegurarse de que se ajustan a las especificaciones y normas de dimensiones, acabado superficial y propiedades mecánicas y físicas.

Sin embargo, la calidad no puede ser inspeccionada en una unidad del pro- ducto una vez que éste ha sido fabricado. La práctica de inspeccionar productos una vez fabricados ha sido reemplazada rápidamente por una visión, más am- plia, que considera que la calidad debe estar incorporada en el producto desde la etapa de diseño y a través de todas las etapas subsiguientes de manufactura y ensamblaje. El objetivo pasa a ser el control de los procesos, puesto que éstos constituyen un factor crítico en la calidad de los productos.

Aunque se puede describir de varias maneras, la integridad del producto es un término que se puede utilizar para definir el grado en el cual un producto es (a) adecuado para su propósito, (b) satisface una necesidad real del mercado, (c)

10 1.8. Competitividad global y costos de manufactura

funciona de manera fiable dentro de su vida esperada, y (d) puede ser mantenido con relativa facilidad.

La administración total de la calidad (tqm) y la garantía de calidad son ahora responsabilidad de todos cuantos están involucrados en e diseño y manu- factura de un producto. La nueva concepción de la calidad conlleva el uso de poderosas técnicas analíticas, como el control estadístico de procesos (spc) y los diagramas de control para la vigilancia en línea de la producción de piezas y para identificar con rapidez fuentes y problemas de calidad. La meta principal es impedir que ocurran defectos, en lugar de detectarlos y rechazar productos defectuosos una vez fabricados. Un desarrollo de importancia en la garantía de calidad es el diseño experimental, una técnica en la cual se estudian de manera simultánea todos los factores empleados en un proceso de manufactura, así como sus interacciones.

La poderosa tendencia hacia la manufactura para y la competencia en el mercado mundial ha creado una necesidad para la aceptación internacional en el uso y en el consenso en relación con el establecimiento de métodos de control de calidad. Esta necesidad ha resultado en la serie ISO9000 de la Internacional Organization for Standardization of Quality, Management and Quality Assu- rance Standards, así como en el QS9000. Un registro de una empresa para ese estándar —que es una certificación de procesos de calidad y no una certifica- ción de productos— significa que la empresa cumple con prácticas consistentes, según se especifica en su propio sistema de calidad. ISO9000 y QS9000 han in- fluenciado de manera permanente la forma en que las empresas llevan a cabo sus negocios en el comercio mundial, y se han convertido en la norma mundial de calidad.

1.8. Competitividad global y costos de manufac-

turaHabitualmente, los costos de manufactura representan aproximadamente un cuarenta por ciento del

precio de venta de un producto. Reducir este precio con- lleva, por tanto, una serie de principio de diseño para la producción económica. Los que se están siguiendo recientemente son los siguientes:

- El diseño debe hacer que el producto sea tan simple como sea posible en

su manufactura, ensamblaje, desensamblaje y reciclaje.

- Los materiales deben seleccionarse en función de sus características apro-

piadas de manufactura.

- La precisión dimensional y el acabado superficial deben especificarse tan ampliamente como sea posible, para minimizar los costes de manufactura.

- Las operaciones secundarias y de acabado de las piezas deben evitarse o

minimizarse, porque aumentan los costos de forma significativa.