Ingeniería de los Sistemas de Producción 1.‐ Introducción a los Sistemas de Fabricación Rosendo Zamora Pedreño Dpto. Ingeniería de Materiales y Fabricación [email protected] Índice Tema 1.‐ Introducción a los Sistemas de Fabricación 1.‐ Tecnologías de fabricación 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 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 3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos 2 1 Índice Tema 1.‐ Introducción a los Sistemas de Fabricación 1.‐ Tecnologías de fabricación 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 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 3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos 3 1.‐ Tecnologías de Fabricación 1.‐ Tecnologías de Fabricación *1 4 2 1.‐ Tecnologías de Fabricación Número de piezas de algunos productos Producto Nº de piezas Podadora rotativa 300 Piano de cola 12 000 Automóvil 15 000 Avión de carga C‐5A > 4 000 000 Boeing 747‐400 > 6 000 000 *3 *2 Porsche 911 (997) GT2 5 1.‐ Tecnologías de Fabricación Definiciones 6 3 1.‐ Tecnologías de Fabricación 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 7 1.‐ Tecnologías de Fabricación Definiciones Las materias primas van pasando por diferentes procesos de fabricación donde van adquiriendo un cierto valor añadido. *4 Ej: Redondo fundición – *5 Laminado – *6 Alambre – Muelle 8 4 1.‐ Tecnologías de Fabricación 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 9 1.‐ Tecnologías de Fabricación Ejemplo de Fabricación: El Clip 10 5 1.‐ Tecnologías de Fabricación Ejemplo de Fabricación: El Clip 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. 11 1.‐ Tecnologías de Fabricación Ejemplo de Fabricación: El Clip Cuestiones Iniciales •¿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? 12 6 1.‐ Tecnologías de Fabricación Ejemplo de Fabricación: El Clip Cuestiones para la selección del proceso •¿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? Es necesario estudiar todas las actividades y recursos involucrados 13 1.‐ Tecnologías de Fabricación 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) 14 7 1.‐ Tecnologías de Fabricación Actividades y Recursos 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) 15 1.‐ Tecnologías de Fabricación 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) 16 8 1.‐ Tecnologías de Fabricación 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) 17 1.‐ Tecnologías de Fabricación 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.” 18 9 Índice Tema 1.‐ Introducción a los Sistemas de Fabricación 1.‐ Tecnologías de fabricación 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 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 3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos 19 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 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 20 10 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.1 Estructura básica de un proceso Proceso : Cambio de las propiedades de un objeto Propiedades ‐ Geometría ‐ Dureza ‐ Estado ‐ Contenido de información Agentes del cambio: ‐ Material ‐ Energía ‐ Información 21 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.2 Modelo general de los procesos 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 Material más desperdicio (s) Material (e) Energía (e) Proceso Información (e) Energía (s) Información (s) *7 22 11 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.2 Modelo general de los procesos 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 23 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.2 Modelo general de los procesos 1.‐ Flujo de Material •Flujo Directo, procesos de conservación de masa M(e) Proceso M(s) ~ M(e) *7 La masa inicial del material de trabajo es igual a la del material final. Cambio de Forma 24 12 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.2 Modelo general de los procesos 1.‐ Flujo de Material •Flujo Divergente, procesos de reducción de masa M(s) 1 M(e) Proceso *7 M(s) 2 M(e) ~ M(s)1 + M(s)2 La geometría final queda circunscrita dentro de la geometría inicial del material Cambio de forma eliminando material 25 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.2 Modelo general de los procesos 1.‐ Flujo de Material •Flujo Convergente, procesos de ensamble o unión M(e)1 M(e)2 Proceso M(s) M(s) ~ M(e)1 + M(e)2 *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 26 13 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.2 Modelo general de los procesos 1.‐ Flujo de Material 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. 27 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.2 Modelo general de los procesos 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 28 14 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.2 Modelo general de los procesos 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. 29 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.2 Modelo general de los procesos 3.‐ Flujo de Información La información de cambio de forma esta compuesta por: ‐ geometría de la herramienta ‐ movimiento relativo entre herramienta y pieza 30 15 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.2 Modelo general de los procesos 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 + .... 31 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.2 Modelo general de los procesos 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... 32 16 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación Flujo de energía Entrada de Energía Flujo de material Material (e) Información de Control Material (s) Proceso de Material Información de forma (e) Flujo de información de forma Información de forma (s) Salida de Energía (Pérdidas) *7 Modelo general de los procesos 33 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.3 Flujo de Material: Procesos Básicos 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 34 17 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.3 Flujo de Material: Procesos Básicos •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.” 35 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.3 Flujo de Material: Procesos Básicos 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 36 18 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.3 Flujo de Material: Procesos Básicos Según el flujo de material, los procesos de clasifican en: 1. Conservación de Masa 2. Reducción de Masa 3. Unión de Masa 37 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.4 Flujo de Energía Realmente cabría distinguir los flujos de energía en dos: 1. Características de la energía suministrada por el equipo 2. 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 38 19 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.4 Flujo de Energía MECÁNICOS • Deformación Plástica / Elástica • Fractura Frágil / Dúctil • Flujo (llenado) ¿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, …) 39 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.4 Flujo de Energía MECÁNICOS • Deformación Plástica / Elástica • Fractura Frágil / Dúctil • Flujo (llenado) Fuentes de energía utilizables para los procesos mecánicos A.‐ Energía Mecánica B.‐ Energía Eléctrica C.‐ Energía Química D.‐ Energía Térmica 40 20 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.4 Flujo de Energía MECÁNICOS • Deformación Plástica / Elástica • Fractura Frágil / Dúctil • Flujo (llenado) Fuentes de energía utilizables para los procesos mecánicos A.‐Mecánica Cinética Potencial Presión en un medio Vacío B.‐Eléctrica Campos electromagnéticos Bobina Motor eléctrico Efecto piezoeléctrico Magnetostricción Descarga entre electrodos 41 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.4 Flujo de Energía MECÁNICOS • Deformación Plástica / Elástica • Fractura Frágil / Dúctil • Flujo (llenado) Fuentes de energía utilizables para los procesos mecánicos C.‐Química Combustión Explosión (Se convierte en mecánica) D.‐Térmica Expansión térmica Directa Indirecta Relativa 42 21 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación TÉRMICOS • Fusión •Evaporación 2.4 Flujo de Energía ¿Como se puede proporcionar la energía en un proceso básico térmico? ¿ 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 Térmica 2. Radiación Electromagnética 3. Convección 43 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.4 Flujo de Energía TÉRMICOS • Fusión •Evaporación Fuentes de energía utilizables para los procesos térmicos MECÁNICA Rozamiento ELÉCTRICA Conducción Inducción Pérdida dieléctrica Formación Arcos: 6.000º C Chispas: 25.000º C Electro erosión Haces de electrones: 10e7 W/mm2 (densidad de energía) Láser: 10‐100 micras de diámetro 44 22 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación TÉRMICOS • Fusión •Evaporación 2.4 Flujo de Energía Fuentes de energía utilizables para los procesos térmicos QUÍMICA Combustión Reacciones químicas TÉRMICA Transmitir el calor almacenado por el medio que mejor convenga 45 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.4 Flujo de Energía QUÍMICOS •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) Deposición Combustión 46 23 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.5 Flujo de Información 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. 2. 3. 4. Conformación Libre Unidimensional Bidimensional Total Ej. Torsión Ej. Laminación Ej. Torno Ej. Forja 47 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.5 Flujo de Información Procesos Conservación de Masa Distinguiremos en función del estado del material: •Sólido •Granular •Líquido 48 24 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.5 Flujo de Información Procesos Conservación de Masa 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 49 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.5 Flujo de Información Procesos Conservación de Masa 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) 50 25 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.5 Flujo de Información Procesos Conservación de Masa 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 51 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.5 Flujo de Información 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. 52 26 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.5 Flujo de Información Procesos Reducción de Masa 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. 53 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.5 Flujo de Información Procesos Reducción de Masa 1. 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: Corte Avance Aproximación, Penetración 54 27 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.5 Flujo de Información Procesos Reducción de Masa 1. Procesos de Arranque de Material. 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) 55 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.5 Flujo de Información Procesos Reducción de Masa 1. Procesos de Arranque de Material. •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. 56 28 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.5 Flujo de Información Procesos Reducción de Masa 2. Procesos de eliminación sin información geométrica en la herramienta. •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) *9 57 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.5 Flujo de Información Procesos Reducción de Masa 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 58 29 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.5 Flujo de Información Procesos Reducción de Masa 4. Procesos de corte de material. •Son mecánicos por fractura que el que consideramos como material eliminado el material sobrante. •Ej.: (cizallamiento, punzonado) *11 59 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 2.5 Flujo de Información 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 60 30 Índice Tema 1.‐ Introducción a los Sistemas de Fabricación 1.‐ Tecnologías de fabricación 2.‐ Morfología de los procesos de fabricación 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 3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos 61 3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos 3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos Conservación de masa *3 62 31 3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos 3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos Conservación de masa *3 63 3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos 3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos Reducción de masa *3 64 32 3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos 3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos Unión de masa *3 65 Referencias Referencias 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 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. http://nonperfect.files.wordpress.com/2011/09/llave.jpg http://i1.8000vueltas.com/2009/04/997‐gt2‐esquema.jpg S. Kalpakjian, S.R. Schmid, (2008) Manufactura, Ingeniería y Tecnología, Pearson Educación, ISBN 10: 970‐26‐1026‐5 http://spanish.alibaba.com/p‐detail/H21‐Barra‐Redonda‐300000065181.html http://guadalajara.olx.com.mx http://resur.net/ L. Alting, (1990) Procesos para Ingeniería de Manufactura, Alfaomega, México http://www.gnclaser.es/aplicaciones/ver.php?id=es&Naplica=1202369921 http://www.idasa.com/newportal/sub_menu/productos/idaCut/Laser/intro.htm http://www.elitedie.eu/index2.asp?pid=8 http://img.interempresas.net/fotos/211167.jpeg http://images02.olx.com.ve/ui/13/74/93/1297874562_167687193_1‐Fotos‐de‐‐Durafix‐Soldadura‐para‐Aluminio‐cobre‐ bronces‐laminas‐garvanizadas‐etc.jpg Nota: Todas las imágenes se han obtenido utilizando resultados de búsquedas en la sección de Imágenes de Google 66 33 Ingeniería de los Sistemas de Producción Rosendo Zamora Pedreño Dpto. Ingeniería de Materiales y Fabricación [email protected] 34