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Ingeniería de los Sistemas de Producción

Rosendo Zamora PedreñoDpto. Ingeniería de Materiales y Fabricación

[email protected]

1.‐ Introducción a los Sistemas de Fabricación

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1.‐ Tecnologías de fabricación

Índice

2.1 Estructura básica de un proceso

2.2 Modelo general de los procesos

2.3 Flujo de Material: Procesos Básicos

2.4 Flujo de Energía

2.5 Flujo de Información

2.‐Morfología de los procesos de fabricación

3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos

Tema 1.‐ Introducción a los Sistemas de Fabricación

2

3


Índice









4

*1

1.‐ Tecnologías de Fabricación


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Porsche 911 (997) GT2

Número de piezas de algunos productos

> 6 000 000Boeing 747‐400

> 4 000 000Avión de carga C‐5A

15 000Automóvil

12 000Piano de cola

300Podadora rotativa

Nº de piezasProducto

*2

*3


6

Definiciones


4

7

Definiciones

En el sentido amplio de la palabra, los procesos de fabricación convierten materias primas en productos.

•Un producto puede ser la “materia prima” para fabricar un nuevo producto más complejo. Ej, tornillo.

•El producto fabricado también se utiliza para fabricar otros productos, Ej. MH


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Definiciones

Las materias primas van pasando por diferentes procesos de fabricación donde van adquiriendo un cierto valor añadido.

Ej: Redondo fundición – Laminado – Alambre – Muelle

*5*4 *6


5

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Definiciones

Tipos de Sistemas de Fabricación según el producto:

•Discreta

Piezas individuales (Ej. Arandelas, Tornillos.). Mayoritariamente, suelen ser productos finales.

•Continua

Productos continuos que posteriormente se seccionan (Ej. Alambre, Tubería plástico).

Mayoritariamente, suelen ser “materia prima” para otros procesos


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Ejemplo de Fabricación: El Clip


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Patentado en 1901, Johan Vaaler, Noruega

Diseño y fabricación de un clip

Requisito funcional:

Es un dispositivo que debe permitir mantener juntas varias hojas de papel.

•Si la rigidez es muy elevada, cuesta manejarlo.

•Si se deforma con demasiada facilidad no sujeta.


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•¿Qué tipo de material? Metálico – Plástico

•Metal: Tipo de metal y estado original

•Si es alambre: diámetro, forma de la sección

•¿Son importantes el acabado y la apariencia?

•¿Cómo le damos forma? Manual – Mecánica

•Maquinaria: fabricar específica, comprar

•¿Cuantos debo fabricar cada día?

Cuestiones Iniciales


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•¿Soporta el material la deformación sin romperse?

•¿Cuánto se desgastará la herramienta que corte el alambre?

•¿El corte dejará rebabas?

•¿Qué proceso es el más indicado económicamente para las condiciones de producción dadas?

Cuestiones para la selección del proceso

Es necesario estudiar todas las actividades y recursos involucrados


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Actividades y Recursos

La fabricación es una actividad compleja que comprende una amplia variedad de recursos y actividades:

•Diseño del producto

•Selección del proceso de fabricación

•Selección de maquinaria y herramientas

•Selección de materiales

•Planificación del proceso

•Compras

•Fabricación(1/2)


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La fabricación es una actividad compleja que comprende una amplia variedad de recursos y actividades:

•Control de la producción

•Servicios de soporte y mantenimiento

•Marketing

•Mercadotecnia

•Ventas

•Expedición

•Atención al cliente(2/2)

Actividades y Recursos


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Respuesta a la Demanda y Tendencias

•Un producto debe satisfacer totalmente los requisitos de diseño, especificaciones y normas.

•Debe fabricarse mediante los métodos mas económicos y respetuosos con el medio ambiente.

•La calidad debe integrarse en cada etapa del proceso.

•Los sistemas de fabricación deben ser flexibles para responder a:

‐ las cambiantes demandas del mercado,

‐ los tipos de productos y

‐ variaciones de las capacidades de producción(1/2)


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Respuesta a la Demanda y Tendencias

•Deben evaluarse constantemente los continuos desarrollos en:

‐ Nuevos materiales

‐ Procesos de fabricación

‐ Automatización e Integración

• Las actividades de Fabricación deben considerarse como un gran Sistema que se pueden modelar para estudiar el efecto que tienen sobre él diversas variables ( Ej.: cambios en la demanda, cambios en los precios, …)

•Se debe trabajar con el cliente para que fruto de la realimentación, se consiga la mejora continua del producto.

(2/2)


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Definiciones

Tecnologías de Fabricación

“Conocimientos referentes a los procesos de conformación de los materiales, a las máquinas, útiles instrumentos y sistemas de

fabricación utilizados y a los controles y verificaciones necesarias para que las piezas se acaben de acuerdo con las normas y

especificaciones establecidas; todo bajo un criterio económico de rentabilidad.”


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Índice









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Para poder

seleccionar la secuencia de fabricación técnica y económicamente razonable

se necesita disponer de

una visión coherente de la estructura común en la que se basan todos los procesos

que permite evaluar

las diferentes posibilidades y limitaciones de los mismos.

No se entrará en los detalles de cada proceso individual, sino que se tratarán

detalles invariables


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Proceso : Cambio de las propiedades de un objeto

Propiedades‐ Geometría‐ Dureza‐ Estado‐ Contenido de información

Agentes del cambio:‐Material‐ Energía‐ Información


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Lo realizamos estudiando los flujos que se generan sobre los agentes antes comentados:

1. Flujo de Material

2. Flujo de Energía

3. Flujo de Información

*7

Proceso

Material (e)

Energía (e)

Información (e)

Material más desperdicio (s)

Energía (s)

Información (s)

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1.‐ Flujo de Material

El flujo de material se divide en 3 tipos principales:

•Flujo Directo, procesos de conservación de masa

•Flujo Divergente, procesos de reducción de masa

•Flujo Convergente, procesos de ensamble o unión


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•Flujo Directo, procesos de conservación de masa

La masa inicial del material de trabajo es igual a la del material final.

Cambio de Forma

*7



ProcesoM(e)

M(s) ~ M(e)

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•Flujo Divergente, procesos de reducción de masa

*7

La geometría final queda circunscrita dentro de la geometría inicial del material

Cambio de forma eliminando material



ProcesoM(e) M(s) 1

M(s) 2

M(e) ~ M(s)1 + M(s)2

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•Flujo Convergente, procesos de ensamble o unión

*7

La geometría final se obtiene como el ensamblado o la unión de varios componentes que pueden haber sido modificados previamente, resultando la masa final igual a la suma de las masas de los componentes



ProcesoM(e)1

M(s) ~ M(e)1 + M(e)2M(e)2

M(s)

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Dependiendo del proceso, puede aparecer un flujo de material auxiliar tales como lubricantes o refrigerantes (sobre todo en los de pérdida de masa).



Estados del material:•Sólido•Líquido•Granular (Diferencias tecnológicas)•Gaseoso (No viable)

Se pueden dar procesos en los que se presenten varios materiales con diferentes estados.

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2.‐ Flujo de Energía


El flujo de energía se caracteriza por:

•Suministro de energía

•Transmisión de la energía a la pieza de trabajo

•Pérdida de energía

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3.‐ Flujo de Información


El flujo de información incluye información sobre la forma y las propiedades.

La geometría de una pieza será la información de entrada al proceso que

+unida a la información de cambio de forma

+genera una información de salida.

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3.‐ Flujo de Información


La información de cambio de forma esta compuesta por:

‐ geometría de la herramienta

‐movimiento relativo entre herramienta y pieza

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Modelo general del proceso de cambio:

“Un flujo de material, que mediante un flujo de energía imprime una información que provoca un cambio de geometría”

Todo este cambio de forma se puede subdividir en varios procesos dependiendo de criterios:

‐ económicos‐ tecnológicos (Ej. imposibilidad física de un mov. herram.)

Is= Ie + Ip1 + Ip2 + ....

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De igual forma que la geometría, existen variaciones en las otras propiedades tales como dureza y resistencia.

Todo proceso queda gobernado por una información de control de tipo analítico que recoge conocimiento de fuerzas, potencias, rozamientos, parámetros de corte...

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Proceso de Material

Salida deEnergía

(Pérdidas)

Material (e)

Información de forma (e)

Material (s)

Información de forma (s)

Entrada deEnergía

Flujo de material

Flujo de información de forma

Flujo de energía

Información deControl

*7

Modelo general de los procesos

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Se caracterizan por la naturaleza de su interacción con el material.

Procesos Básicos primarios que cambian la geometría

MECÁNICOS• Deformación Plástica / Elástica• Fractura Frágil / Dúctil• Flujo (llenado)

TÉRMICOS•Fusión•Evaporación

QUÍMICOS•Disolución•Deposición•Combustión

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•Aquí tiene una influencia vital el tipo de material a tratar ya que los diferentes materiales reaccionan de maneras muy diversas ante la misma acción.

Ej. Calor => Plástico / Metal

•Hay que tener en cuenta que:

“Los procesos básicos de cada fase determinan el nº y los tipos de procesos que se efectúan en la siguiente.”


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Normalmente se producen secuencias de procesos básicos que se pueden agrupar en 3 fases típicas:

1. Preprocesos. Adecuar el material para comenzar a trabajar, (Ej. calentamiento, recortes, etc.)

2. Procesos de creación de la geometría.

3. Postprocesos. Acabado del producto, (Ej. eliminación de rebabas)

Es muy importante esta división para una buena planificación de los procesos


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Según el flujo de material, los procesos de clasifican en:

1. Conservación de Masa2. Reducción de Masa3. Unión de Masa

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Realmente cabría distinguir los flujos de energía en dos:

1. Características de la energía suministrada por el equipo2. Cómo se suministra energía al material y al medio de transferencia

Los estudiaremos según la siguiente clasificación:

• Flujo de energía para procesos básicos mecánicos• Flujo de energía para procesos básicos térmicos• Flujo de energía para procesos básicos químicos

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¿Como se puede proporcionar la energía en un proceso básico mecánico?


1. Movimientos relativos entre el medio transmisor y el material.

2. Diferencias de presión a través del material de trabajo.

3. Fuerzas de masa generadas en el material de trabajo (gravedad, campos magnéticos).

Debemos tener en cuenta el estado de los medios de transferencia de la energía en cada caso. Se seleccionan según las especificaciones del proceso. (Ej. Rígido, granular, fluido, gaseoso, elástico, aceleraciones, …)

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Fuentes de energía utilizables para los procesos mecánicos

A.‐ Energía MecánicaB.‐ Energía EléctricaC.‐ Energía QuímicaD.‐ Energía Térmica


21

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A.‐MecánicaCinéticaPotencialPresión en un medioVacío

B.‐EléctricaCampos electromagnéticos

BobinaMotor eléctrico

Efecto piezoeléctrico MagnetostricciónDescarga entre electrodos


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C.‐QuímicaCombustiónExplosión

(Se convierte en mecánica)

D.‐TérmicaExpansión térmica

Directa

Indirecta Relativa


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¿Como se puede proporcionar la energía en un proceso básico térmico?

TÉRMICOS• Fusión•Evaporación

¿ Como actúan los procesos térmicos ?‐ Fusión‐ Evaporación

Necesitamos una fuente de calor que nos lo genere

Ahora debe llegar al material pero puede hacerlo por diferentes métodos: (Mecanismos de Transferencia)

1. Conducción Térmica2. Radiación Electromagnética3. Convección

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Fuentes de energía utilizables para los procesos térmicos

ELÉCTRICAConducciónInducciónPérdida dieléctricaFormación Arcos: 6.000º CChispas: 25.000º C Electro erosiónHaces de electrones: 10e7 W/mm2 (densidad de energía)Láser: 10‐100 micras de diámetro

MECÁNICARozamiento


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Fuentes de energía utilizables para los procesos térmicos

QUÍMICACombustiónReacciones químicas

TÉRMICATransmitir el calor almacenado por el medio que mejor convenga


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2.4 Flujo de EnergíaQUÍMICOS•Disolución•Deposición•Combustión

Fuentes de energía utilizables para los procesos químicos

En general no requieren aporte externo de energía Eléctrica ni Mecánica. En algunos casos se necesita energía para el inicio de la reacción o su mantenimiento.

Se generan en la propia reacción.Disolución (pulido)DeposiciónCombustión

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Impresión de la información de forma en el material.

Si nos fijamos en los distintos movimientos herramienta‐material obtenemos 4 modos diferentes de conformación en función de la cantidad de información geométrica que contiene el medio de transferencia:

1. Conformación Libre Ej. Torsión

2. Unidimensional Ej. Laminación

3. Bidimensional Ej. Torno

4. Total Ej. Forja

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Procesos Conservación de Masa

Distinguiremos en función del estado del material:

•Sólido

•Granular

•Líquido

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Material Sólido

Es el caso de la deformación plástica y elástica.Para decidir si un proceso en concreto se puede aplicar a un material en particular deben considerarse:

• los esfuerzos del material• deformaciones• velocidades de deformación• temperaturas

Esto permite calcular las necesidades de energía y fuerza*8

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Material Granular

A los materiales granulares se les da forma mediante un proceso de:‐ Flujo (llenado y colocación)

seguido de una ‐ Estabilización (deformación plástica y/o endurecimiento)

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Material Líquido

•Es el caso de la Fundición

•Flujo + Estabilización

Cuando el molde es Cerrado

El Flujo puede ser el único generador de la forma seguida de una estabilización separada o integrada

Cuando el molde es Abierto

Se suele utilizar un campo de fuerza como la gravedad o la aceleración para dar la forma

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Procesos Reducción de Masa

Para estos procesos (que se utilizan con sólidos) la impresión de la información se realiza con procesos básicos de tipo mecánico, térmico y químico.

Estos se pueden aplicar mediante 4 métodos de arranque de material.

A su vez, podremos distinguir cuando la herramienta además de transmitir energía aporta información geométrica.

27

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1. Procesos de Arranque de Material.

2. Procesos de eliminación sin información geométrica en la

herramienta.

3. Procesos de eliminación de material con información de la

herramienta.

4. Procesos de corte de material.

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Procesos Reducción de Masa1. Procesos de Arranque de Material.

•Se incluyen los métodos tradicionales de corte.

•El proceso básico primario es la fractura creado por movimientos relativos entre material y herramienta.

•La información de forma comprende los movimientos relativos junto con la geometría de la herramienta.

•Respecto a los movimientos los clasificamos en:CorteAvance Aproximación, Penetración

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Podemos clasificar las herramientas dependiendo del filo:

Un solo filo (plaquita)Filo múltiples (fresa)

o de su geometría;

Geometría de filo bien definida (plaquita,broca) Geometría de filo sin definir (Muela)


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•A la hora de crear una superficie, normalmente la mayor cantidad de información reside en los parámetros del movimiento ya que la información de los contornos de la herramienta es muy breve.

•Existe una gran cantidad de maquinaria que contempla la mayoría de combinaciones posibles de movimientos material herramienta.


29

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•La energía necesaria cubrirá un punto, una línea o una área.

•Lo interesante será la sección transversal de la fuente de energía unido a los patrones de movimiento que se le confieran.

•A veces se utilizan medios intermedios que impidan el efecto del proceso básico al material o combinaciones.(Ej. Haz de electrones, Láser)

2. Procesos de eliminación sin información geométrica en la herramienta.

*9

58




3. Procesos de eliminación de material con información de la herramienta.

•La herramienta no entra en contacto directo con el material pero genera información geométrica dependiente de su propia geometría unida a los patrones de movimiento.

•Se utiliza un medio intermedio fluido.

•Ej.: electroerosión, electroquímico

*10

30

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4. Procesos de corte de material.

•Son mecánicos por fractura que el que consideramos como material eliminado el material sobrante.

•Ej.: (cizallamiento, punzonado)

*11

60



Procesos Unión de Masa

•Aquí no se imprime información por sí mismo. La información se obtiene juntando e inmovilizando componentes producidos por los otros tipos de procesos.

•El proceso de ensamble se basa en enlaces atómicos, adhesión o sujeción mecánica

*12

31

61


Índice









62

*3



Conservación de masa

32

63

*3



Conservación de masa

64

*3



Reducción de masa

33

65

*3



Unión de masa

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Referencias

Referencias

1. http://nonperfect.files.wordpress.com/2011/09/llave.jpg2. http://i1.8000vueltas.com/2009/04/997‐gt2‐esquema.jpg3. S. Kalpakjian, S.R. Schmid, (2008) Manufactura, Ingeniería y Tecnología, Pearson Educación, ISBN 10: 970‐26‐1026‐54. http://spanish.alibaba.com/p‐detail/H21‐Barra‐Redonda‐300000065181.html5. http://guadalajara.olx.com.mx6. http://resur.net/7. L. Alting, (1990) Procesos para Ingeniería de Manufactura, Alfaomega, México8. http://www.gnclaser.es/aplicaciones/ver.php?id=es&Naplica=12023699219. http://www.idasa.com/newportal/sub_menu/productos/idaCut/Laser/intro.htm10. http://www.elitedie.eu/index2.asp?pid=811. http://img.interempresas.net/fotos/211167.jpeg12. http://images02.olx.com.ve/ui/13/74/93/1297874562_167687193_1‐Fotos‐de‐‐Durafix‐Soldadura‐para‐Aluminio‐cobre‐

bronces‐laminas‐garvanizadas‐etc.jpg

S. Kalpakjian, S.R. Schmid, (2008) Manufactura, Ingeniería y Tecnología, Pearson Educación, ISBN 10: 970‐26‐1026‐5

L. Alting, (1990) Procesos para Ingeniería de Manufactura, Alfaomega, México, ISBN: 968 62 2300 2

Figuras

Nota: Todas las imágenes se han obtenido utilizando resultados de búsquedas en la sección de Imágenes de Google

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