Resumen Del Libro Fundamento De Manufactura Moderna, Materiales, Procesos Y Sistemas

Introducción

La tecnología que disfrutamos en el presente no estaría disponible para la

sociedad si no pudieran manufacturarse, es por ello que es importante en lo

tecnológico, económico e histórico.

La tecnología está inmersa en diversas áreas de nuestra vida diaria, directa e

indirectamente. Es la aplicación de la ciencia para proporcionar a la sociedad y a

sus miembros aquellos objetos que necesitan o desean.

Por otra parte para la economía la manufactura es un medio importante con el que

una nación crea bienestar material. 

El siguiente reporte de lectura está basado en los primeros 10 capítulos del libro

“Fundamento de Manufactura Moderna, Materiales, Procesos y Sistemas”, un

estudio sobre los procesos de fabricación, los materiales, su estructura y como

estos inciden en la manufactura moderna.

Capítulo I

Introducción y panorama de la manufactura

La palabra manufactura se deriva de las palabras latinas manus (mano) y factus

(hacer): La combinación de ambos significa “hecho a mano”; esta expresión define

de forma adecuada los métodos manuales que se utilizaban cuando se acuñó esta

expresión.

La historia de la manufactura puede dividirse en dos partes: 1) El descubrimiento y

la invención por parte del hombre, de los materiales y los procesos para fabricar

cosas y 2) el desarrollo de los sistemas de producción.

* Aspectos de los sistemas de manufactura.

* La expresión sistemas de manufactura se refiere a las formas de organizar a las

personas y a los equipos de la producción se lleve a cabo con más eficiencia.

* División del trabajo: Es un principio que consiste en dividir el trabajo total en

tareas, y hacer que los trabajadores individuales se conviertan en especialistas

haciendo una sola.

* Definición de manufactura.

La manufactura es la transformación de los materiales en artículos de valor mayor

por medio de una o más operaciones de procesamiento o ensamblado.

La clave es que la manufactura agrega valor al material cambiando su forma o

propiedades, o mediante combinar materiales distintos también alterados.

Industrias manufactureras: Son empresas y organizaciones que producen o

suministran bienes y servicios.

Planta de manufactura: Consiste en un conjunto de sistemas, procesos y personas

diseñados para transformar cierto rango limitado de materiales en productos de

valor incrementado.

La capacidad de manufactura se refiere a las limitaciones técnicas y físicas de una

empresa de manufactura y de cada una de sus plantas. Es posible identificar

varias dimensiones de dicha capacidad. 1) Capacidad tecnología de procesos, 2)

Tamaño físico y peso del producto, y 3) Capacidad de producción.

* Los materiales en la manufactura

La mayor parte de los materiales para ingeniería se clasifican en una de tres

categorías básicas.

1) Metales

2) Cerámica

3) Polímeros

4) Compuesto

* Procesos de manufactura

Los procesos de manufacturas se dividen en dos tipos básicos:

1) Las operaciones de los procesos: Esta hacen que un material de trabajo pase

de un estado de acabado u otro más avanzado que está más cerca del producto

final que se desea.

2) Las del ensamblado: Esta une dos o más componentes a fin de crear una

entidad nueva, llamada ensamble, sub ensamble o algún otro término que se

refiere al proceso de unión.

* Operaciones de procesamiento

Una operación de procesamiento utiliza energía para modificar la forma, las

propiedades físicas o la apariencia de una pieza, a fin de agregar valor material.

Si distinguen tres categorías de operaciones de procesamiento: 

1) Operaciones de formado

2) Operaciones de mejoramiento de una propiedad

3) Operaciones de procesamiento de una superficie

* Operaciones de ensamblado

Es el segundo tipo básico de operaciones de manufactura, en el que dos o mas

piezas separadas se unen para formar una entidad nueva.

Las operaciones de manufactura se llevan a cabo con el uso de maquinarias,

herramientas y personas.

Para operar con eficacia, una empresa de manufactura debe tener sistemas que le

permitan llevar a cabo con eficiencia su tipo de producción. Los sistemas de

producción consisten en personas, equipos y procedimientos diseñados para

combinar materiales y procesos que constituyen las operaciones de manufactura

de la compañía.

Los sistemas de producción se dividen en dos categorías:

1) Instalaciones de producción

2) Sistema de apoyo a la producción

Las instalaciones de producción consisten en el equipo de producción y el manejo

de materiales.

Capítulo II

La naturaleza de los materiales

La comprensión de los materiales es fundamental en el estudio de los procesos de

manufactura.

En este capítulo se estudia la estructura atómica de la materia, y los enlaces entre

los átomos y las moléculas, y la manera en que estos se organizan por si solo en

dos formas estructurales: cristalina y no cristalina.

* Estructura Atómica

Podríamos definir el átomo como el conjunto de protones y electrones que giran

en torno a un núcleo de carga neutra. Pero lo más importante que debemos

conocer son aquellas propiedades y cualidades que poseen los átomos.

Definamos algunos Conceptos Atómicos.

Electrones.

Posee carga negativa igual al del protón pero de signo contrario. Cuando se le da

valor en UMA (masa) se le atribuye el valor CERO. 

Protones.

Es una partícula subatómica con un valor de carga igual al del electrón pero

contraria, que actúa en el átomo. 

ION.

Es todo átomo cargado eléctricamente y se forma cuando un átomo gana o cede

uno o más electrones. 

Anión. 

Se forma cuando un átomo gana electrones quedando cargado negativamente. 

Catión. 

Se forma cuando un átomo pierde electrones quedando cargado positivamente.

Molécula.

Es una partícula formada por dos o más átomos unidos entre sí por enlaces

químicos.

Enlace químico: 

Conjunto de fuerzas que mantienen unidos a los átomos, iones y moléculas

cuando forman distintas agrupaciones estables. 

* Materiales en la Ingeniería

Los materiales es todo aquello de lo cual están creadas las cosas y estos se

podrían clasificar en:

Materiales poliméricos 

Materiales cerámicos 

Materiales metálicos 

Materiales compuestos 

* Propiedades mecánicas de los materiales

Los materiales están Sujetos a diferentes tipos de propiedades, las cuales hacen

que unos se diferencien de otro. Entre esas propiedades voy a mencionar algunas.

Relación Esfuerzo – Deformación.

Podrimos destacar que existe una fórmula para saber cómo sacar la deformación

por medio del modulo de Young (la relación entre el esfuerzo y la deformación),

este modulo es diferente para cada material.

Dureza

Se denomina dureza a la resistencia a ser rayado que ofrece la superficie lisa de

un mineral, y refleja, de alguna manera, su resistencia a la abrasión. Mediante el

estudio de la dureza de un mineral se evalúa, en parte, la estructura atómica del

mismo, pues es la expresión de su enlace más débil. 

Efecto de la temperatura 

Temperatura, propiedad de los sistemas que determina si están en equilibrio

térmico (véase Termodinámica). El concepto de temperatura se deriva de la idea

de medir el calor o frialdad relativos y de la observación de que el suministro de

calor a un cuerpo conlleva un aumento de su temperatura mientras no se

produzca la fusión o ebullición. En el caso de dos cuerpos con temperaturas

diferentes, el calor fluye del más caliente al más frío hasta que sus temperaturas

sean idénticas y se alcance el equilibrio térmico (véase Transferencia de calor).

Por tanto, los términos de temperatura y calor, aunque relacionados entre sí, se

refieren a conceptos diferentes: la temperatura es una propiedad de un cuerpo y el

calor es un flujo de energía entre dos cuerpos a diferentes temperaturas. 

Visco elasticidad

Un polímero amorfo se comporta como un vidrio a baja temperatura, como un

sólido gomo elástico a temperaturas intermedias (por encima de la temperatura de

transición vítrea) y como un liquido viscoso a temperaturas elevadas. Frente a

deformaciones relativamente pequeñas, el comportamiento mecánico a bajas

temperaturas es elástico y cumple la ley de Hooke. A temperaturas muy elevadas

prevalece el comportamiento viscoso o liquido elástico. A temperaturas

intermedias aparece un sólido, como de goma, que presenta características

mecánicas intermedias entre estos dos extremos: esta condición se llama visco

elasticidad.

La deformación elástica es instantánea; esto significa que la deformación total

ocurre en el mismo instante que se aplica el esfuerzo (la deformación es

independiente del tiempo). Además, al dejar de aplicar el esfuerzo la deformación

se recupera totalmente: la probeta adquiere las dimensiones originales. 

Un comportamiento visco elástico intermedio, origina una deformación instantánea

seguida de una deformación viscosa dependiente del mismo, una forma de

inelasticidad.

Capítulo III

Propiedades mecánicas de los materiales

Las propiedades mecánicas de un material determinan su comportamiento cuando

se le sujeta a esfuerzos mecánicos.

* Relaciones esfuerzo-deformación

Existen tres tipos de esfuerzo estáticos a los que se sujetan los materiales:

tensión, compresión y cortante.

La prueba de tención es el procedimiento más común para estudiar la relación

esfuerzo deformación, en particular para los metales. 

El esfuerzo deformación de ingeniería en una prueba de tensión que se define

en relación con el área y longitud originales del espécimen de prueba.

Son tres las formas básicas de relación esfuerzo-deformación que describe el

comportamiento de casi todos los materiales sólidos.

* Perfectamente elástico: El comportamiento de este material queda definido por

completo por su rigidez, indicada por el modulo de elasticidad.

* Elástico y perfectamente plástico: Este material tiene una rigidez definida por

elasticidad.

* Elástico y endurecimiento por deformación: Este material obedece a la ley de

Hooke en la región elástica.

* Pruebas de dureza

Prueba de dureza de Brinell: Se usa mucho para medir la dureza de metales y no

metales de dureza baja a media.

Prueba de dureza de Rokwell: Recibe su nombre en honor al metalurgista que la

creo a principios de la década de 1920. Es conveniente de usar, y varias mejoras

que se le hicieron a lo largo de los años la adaptaron a una variedad de

materiales.

Prueba de dureza de vickers: Esta prueba fue creada a principios de la década de

1920, utiliza un indentador de forma piramidal hecho de diamante. Se basa en el

principio de que las impresiones dejadas por el son similares en cuanto a su

geometría sin importar la carga que se emplee.

Prueba de dureza de Knoop: La prueba de Knoop, creada en 1939, usa un

indentador de diamante de forma piramidal, pero la pirámide tiene una razón

longitud-ancho alrededor de 7,1.

* Propiedades de los fluidos

Los fluidos se comportan de manera muy diferente que los solidos, un fluido fluye

y adopta la forma de el envase que lo contiene.

Un solido no fluye tiene una forma geométrica que es independiente del medio.

Aunque el flujo es una característica que define a los fluidos, la tendencia a fluir

varia de uno a otro. La vizcocidad es la propiedad que determina que un fluido

fluya.

Para muchos metales la viscosidad en el estado fundido se compara con la del

agua a temperatura ambiente. Ciertos procesos de manufactura en especial la

fundición y la soldadura autógena, se llevan a cabo sobre metales en estado

fundido, y el éxito de esas operaciones requiere vizcodiad baja para que el metal

fundido llene la cavidad del molde o suelde la costura antes de solidificarse.

Capítulo IV

Propiedades físicas de los materiales

El termino propiedades físicas es usado comúnmente para definir el

comportamiento de los materiales en respuestas a fuerzas físicas distintas de las

mecánicas.

Las propiedades físicas son importantes en la manufactura porque es frecuente

que influyan en el rendimiento del proceso.

* Propiedades volumétricas y de fusión

Estas propiedades se relacionan con el volumen de los sólidos y la manera en que

las afecta la temperatura.

Densidad: En la ingeniería la densidad de un material es su peso por unidad de

volumen.

La densidad de un material es función de la temperatura. LA relación general es

que la densidad disminuye con el aumento de la temperatura.

* Propiedades térmicas

Las propiedades usuales de interés son el calor especifico y la conductividad

térmica.

El calor especifico de un material se define como la cantidad de energía calorífica

requerida para incrementar la temperatura de una unidad de masa del material en

un grado .

La conducción es un proceso de fundamental de transferencia de calor. Incluye la

transferencia de energía térmica dentro de un material de molecula a molecula

solo por medio de movimientos térmicos.

La conductividad térmica de una sustancia es su capacidad para transferir calor a

través de si misma por este mecanismo físico.

Las propiedades térmicas juegan un papel importante en la manufactura debido a

que en muchos de sus procesos es común que se generen calor.

Además de la transferencia de calor de un material, también existe la transferencia

de masa. La difusión de masa involucra el movimiento de átomos o moléculas

dentro de un material o través de un material o través de una frontera entre dos

materiales en contacto.

* Procesos electroquímicos

La electroquímica es el campo de la ciencia que tiene que ver con la relación entre

electricidad y los cambios químicos, y con la conversión de las energías eléctricas.

* Propiedades físicas de los materiales

Ductilidad.

Es la habilidad que permite que un material sea deformado hasta una longitud

considerable sin que se rompa. Los materiales seleccionados para ser alambre

deben ser bastante dúctiles.

Elasticidad.

Es la habilidad que tiene un material que ha sido deformado de alguna manera

para regresar a su estado y tamaño original, cuando se a la acción que ha

producido la deformación.

Cuando el material se deforma permanentemente de tal manera que no regresa a

su estado original se dice que ha pasado a su

límite elástico.

Maleabilidad.

Esta propiedad que permite que un material que se deforme mediante martilleo,

rolado o prensado, sin romperse.

La maleabilidad, se aumenta normalmente cuando el material está caliente.

Plasticidad. 

Es la habilidad de un material para adoptar nuevas formas bajo presión y de tener

esa nueva forma.

Tenacidad.

Es la propiedad de resistencia a la rotura por un esfuerzo a la tensión.

Esta propiedad de gran importancia para los diseñadores se expresa en libras-

fuerza por pulgada cuadrada.

Fragilidad.

Es lo opuesto de la dureza; los materiales frágiles se fracturan por golpes pero

puede resistir presiones constantes, esta propiedad es algunas veces llamada

fragilidad en caliente.

Conductibilidad. 

Es la propiedad natural de los cuerpos, que consiste en transmitir el calor o la

electricidad.

Densidad.

La densidad de un cuerpo se define como la razón de su masa a su volumen.

Dureza.

Es la propiedad de resistir el desgaste o corte.

Resistencia: 

Péndulo de Charmn (prueba) esta propiedad de resistencia a la rotura de carga de

golpes repetidos tales como martillazos. El calentamiento normalmente debilita la

resistencia.

Capitulo V

Dimensiones, tolerancias y superficies

* Dimensiones 

El espacio-tiempo en el que vivimos parece de cuatro dimensiones.

Tradicionalmente, se separa en tres dimensiones espaciales y una dimensión

temporal (y en la mayoría de los casos es razonable y práctico). Podemos

movernos hacia arriba o hacia abajo, hacia el norte o sur, este u oeste, y los

movimientos en cualquier dirección puede expresarse en términos de estos tres

movimientos. 

Un movimiento hacia abajo es equivalente a un movimiento hacia arriba de forma

negativa. Un movimiento norte-oeste es simplemente una combinación de un

movimiento hacia el norte y de un movimiento hacia el oeste.

* Tolerancia de fabricación

La Tolerancia

Es el espacio permisible, en la dimensión nominal o el valor especificado de una

pieza manufacturada. El propósito de una tolerancia es especificar un margen

para las imperfecciones en la manufactura de una parte o un componente.

La tolerancia puede ser especificada como un factor o porcentaje de un valor

nominal, una máxima desviación de un valor nominal, un rango explícito de

valores permitidos, ser especificado por una nota o un estándar publicado con esta

información, o ser expresado por la precisión del número del valor nominal.

La tolerancia es diferente del factor de seguridad, pero un adecuado factor de

seguridad tomara en cuenta tolerancias relevantes además de otras posibles

variaciones.

* Fricción

Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción entre dos superficies en

contacto a la fuerza que se opone al movimiento de una superficie sobre la otra

(fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al inicio del movimiento

(fuerza de fricción estática). Se genera debido a las imperfecciones,

especialmente microscópicas, entre las superficies en contacto. Estas

imperfecciones hacen que la fuerza entre ambas superficies no sea perfectamente

perpendicular a éstas, sino que forma un ángulo φ con la normal (el ángulo de

rozamiento). 

* Superficies

Una superficie es aquello que tiene contacto con un barreno que al sujetarse con

un objeto tal como una pieza manufacturada.

Las superficies tienen importancia tecnológica y comercial por varias razones

diferentes para distintas aplicaciones de los productos.

1- Razones estéticas, las superficies que son tersas y sin marcas y manchas es

más probable que causen una impresión favorable en el consumidor.

2- Las superficies afectan la seguridad.

3- La fricción y el uso dependen de las características de la superficie.

4- Las superficies afectan las propiedades mecánicas y físicas.

5- El ensamblaje de las piezas se ve afectado por su superficie

6- Las superficies suaves constituyen contactos eléctricos mejores.

Capítulo VI

Materiales de la ingeniería

* Metales

Los metales son la materia más importantes de la ingeniería. Un metal es una

categoría de materiales que se caracterizan generalmente por tener propiedades

de ductibilidad, maleabilidad, lustre y conductividad eléctrica y térmica elevadas.

La importancia tecnológica y comercial de los metales se debe a las propiedades

generales siguientes, que poseen virtualmente todos los metales comunes:

* Rigidez y resistencia elevada

* Tenacidad

* Conductividad eléctrica buena

* Conductividad térmica

Acero: El acero es una aleación de hierro que tiene un contenido de carbono que

varia entre el 0.02% y 2.11%.

Cromo: Mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste y dureza en caliente.

Manganeso: Mejora

la resistencia y dureza del acero.

Molibdeno: Incrementa la tenacidad y dureza en caliente.

Níquel: Mejora la resistencia y la tenacidad

Capítulo VII

Cerámicos

Un material cerámico es un compuesto inorgánico que consiste en un metal o

semimetal y uno o más metales.

Los compuestos cerámicos se caracterizan por tener enlaces covalentes e iónicos.

Estos son mas fuertes que los enlaces metálicos de los metales, lo que ayuda a la

dureza y rigidez alta pero ductibilidad baja de los materiales.

* Nuevos materiales cerámicos

Se refiere a materiales cerámicos creados de forma sintética durante las décadas

recientes, y por medio de mejoras en las técnicas de procesamiento que dan un

control mayor sobre la estructura y propiedades de los cerámicos.

Los nuevos cerámicos se organizan en categorías según su composición química:

oxido, carburos y nitruros.

* Óxidos cerámicos: El oxido más importante de los nuevos cerámicos es la

alúmina. Aunque también se le estudia en el contexto de los cerámicos

tradicionales, hoy día la alúmina se produce en forma sintética a partir de la

bauxita, con un método de horno eléctrico.

* Carburos: Los carburo cerámico incluyen los carbonos de silicio, tungsteno,

titanio, tantalio, y cromo. Aunque es un cerámico hecho por el hombre los métodos

de su producción se desarrollaron hace un siglo y por eso generalmente se le

incluye en el grupo de los cerámicos tradicionales.

Capítulo VIII

Polímeros

De los tres tipos básicos de materiales los polímeros son al mismo tiempo los más

nuevos y los más viejos conocidos por el ser humano. Los polímeros forman a los

organismos vivos y a todos los procesos vitales sobre la tierra.

Un polímero es un compuesto que consiste en moléculas de cadena larga, cada

una de las cuales está hecha de unidades que se repiten y conectan entre sí. En

una sola molécula de polímeros puede haber miles, incluso millones de unidades.

* Polimerización

Como proceso químico la síntesis de los polímeros ocurre por cualquiera de dos

métodos:

1- Polimerización por adicción

2- Polimerización por etapa

Polimerización por adicción. En este proceso, que ejemplifica el polietileno, se

induce a los enlaces dobles existentes entre los átomos de carbono de los

monómeros d etileno para que se abran de modo que se unan con otras

moléculas de monómero.

Polimerización por etapas. En esta forma de polimerización, se hace reaccionar a

dos monómeros para formar una molécula nueva del compuesto que se desea

obtener.

* Estructura de polímeros y copolimeros

Existen diferencias estructurales entre las moléculas de los polímeros, incluso

entre las del mismo polímero.

1- Estereorregularidad: Tiene que ver con el arreglo espacial de los átomos y sus

grupos en las unidades repetitivas de la molécula del polímero.

2- Ramificación y cruzamiento: Esta es la estructura característica de un polímero

termoplástico.

3- Copolimeros: son polímeros cuya moléculas están hechas de unidades

repetidas de dos tipos diferentes.

También es posible sintetizar polímeros ternarios o termo polímeros, que consiste

en meros d tres tipos diferente.

Las propiedades de los polímeros con frecuencia cambian para bien si se les

combina con aditivos. Los aditivos alteran la estructura molecular del polímero, o

bien agregan una segunda fase al plástico, y lo transforman en un material

compuesto.

Los aditivos se clasifican según su función como:

1- Rellenos

2- Plastificadores

3- Colorantes

4- Lubricantes

5- Retardante de flama

6- Agentes de entrecruzamiento

7- Absolvedores de luz ultravioleta

8- Antioxidantes

Capitulo IX

Materiales compuestos

Además de los metales, cerámicos y polímeros, es posible distinguir una cuarta

categoría de materiales, los compuestos.

Un material compuesto es un sistema de materiales compuestos por dos o más

fases distintas físicamente cuya combinación produce propiedades agregadas

diferentes de la de sus componentes.

El interés tecnológico y comercial de los materiales compuestos proviene del

hecho de que sus propiedades no solo son distintas de su componente sino que

con frecuencia son mucho mejores.

El sistema de clasificación para materiales compuestos se basa en la fase de la

matriz.

1- Compuesto de matriz metálica

2- Compuesto de matriz cerámica

3- Compuesto de matriz de polímero

Las propiedades de un material compuesto están determinadas por tres factores:

1- Los materiales que se emplean como fase constituyente en el compuesto.

2- Formas geométricas de los constituyentes y estructura resultante del sistema

compuesto.

3- La manera en que las fases interactúan una con otra.

Los materiales compuestos reciben su forma por medio de muchas tecnologías

diferentes de procesamiento. Las dos fases por lo común se producen por

separado antes de combinarse en la forma de la pieza compuesta. 

Los métodos de procesamiento para la fase incrustada dependen de la forma.

Capitulo X

Fundamento de la fundición de metales

La fundición es un proceso en el que el metal derretido fluye por gravedad u otra

fuerza hacia un molde en el que se solidifica con la forma de la cavidad de este.

El termino fundición también se aplica al objeto que se fabrica por medio de este

proceso.

La fundición incluye la obtención tanto de lingotes como de la forma.

Existe una variedad de métodos de fundición de formas, lo que lo hace uno de los

procesos de manufactura más versátiles. Entre sus posibilidades y ventajas están

las siguientes.

* La fundición se utiliza para crear formas complejas para las piezas incluidas

externas e internas.

* Algunos procesos de fundición son capaces de producir piezas de forma neta.

* La fundición se emplea para producir piezas muy grandes

* El proceso de fundición se lleva a cabo en cualquier metal que pueda calentarse

hasta llegar al estado líquido.

* Algunos métodos de fundición son muy apropiados para la producción en masa.

Para llevar a cabo una operación de fundido, el metal debe calentarse a una

temperatura algo mas elevada que su punto de fusión y luego verterse a la

cavidad del molde para que se solidifique.

La solidificación involucra la transformación del metal derretido de nuevo al estado

sólido. El proceso de solidificación difiere en función de si el metal es un elemento

puro o una aleación.