Procesos de Manufactura Avanzada Unidad 1. Introducción a la manufactura avanzada 1.1 Análisis de operación maquinado. Definición. La palabra manufactura se deriva de las palabras latinas manus (manos) y factus (hacer); esta combinación de términos significa hacer con las manos; como campo de estudio en el contexto moderno, puede definirse de dos maneras: tecnológica y económica. Tecnológicamente es la aplicación de procesos químicos y físicos que alteran la geometría, las propiedades, o el aspecto de un determinado material para elaborar partes o productos terminados. La manufactura se realiza casi siempre como una sucesión de operaciones. Cada una de ellas lleva al material cada vez más cerca del estado final deseado. Económicamente, la manufactura es la transformación de materiales en artículos de mayor valor, a través de una o más operaciones. El punto clave es que la manufactura agrega valor al material original, cambiando su forma o propiedades, o al combinarlo con otros materiales que han sido alterados en forma similar. El material original se vuelve más valioso mediante las operaciones de manufactura que se ejecutan sobre él. La manufactura es una actividad compleja que comprende una amplia variedad de recursos y actividades, como las siguientes: • Diseño del producto. • Maquinaria y herramienta. • Planeación del proceso. • Materiales. • Compra. • Manufactura. • Control de la producción. • Servicios de soporte. • Mercadeo. • Ventas. • Embarque. • Servicios al cliente. Es fundamental que las actividades de la manufactura respondan a las diversas demandas y tendencias: 1.- Un producto debe satisfacer totalmente los requisitos de diseño, especificaciones y normas. 2.- Un producto debe manufacturarse mediante los métodos más económicos y amigables con el medio ambiente. 3.- La calidad debe integrarse al producto en cada etapa, desde el diseño hasta el ensamblado, en vez de confiar sólo en las pruebas de calidad después de haberlo manufacturado. 4.- En el muy competitivo ambiente actual, los métodos de producción deben ser lo suficientemente flexibles para responder a las cambiantes demandas del mercado, a los tipos de productos y a las capacidades de producción, a fin de asegurar una entrega oportuna al cliente. 5.- Los continuos desarrollos en materiales, métodos de producción e integración a las computadoras, tanto de las actividades tecnológicas como de las administrativas en una organización manufacturera, deben evaluarse constantemente con miras a su implantación apropiada, oportuna y económica. 6.- Las actividades de manufactura deben verse como un gran sistema, cuyas partes se relacionan entre sí en grados variables. Estos sistemas se pueden modelar para estudiar el efecto de factores como los cambios en las demandas del mercado, el diseño del producto, los materiales y los métodos de producción tanto en la calidad como en el costo de los productos. 7.- El fabricante debe trabajar con el cliente para obtener una retroalimentación oportuna y conseguir así una mejora continua del producto. 8.- Una organización manufacturera debe luchar constantemente por obtener mayores niveles de productividad, que se define como el uso óptimo de todos sus recursos: materiales, máquinas, energía, capital, mano de obra y tecnología. Debe maximizarse la producción por empleado por hora en todas las fases. Pasos comprendidos en el diseño y la manufactura de un producto Pasos comprendidos en el diseño y la manufactura de un producto Ingeniería Concurrente Todas las disciplinas se involucran en las primeras etapas del diseño, para que en las iteraciones, que ocurren naturalmente, haya un menor desperdicio de esfuerzos y de tiempo. Reduce: (a) Los cambios en el diseño y la ingeniería de un producto. (b) El tiempo y los costos comprendidos en llevarlo desde su diseño conceptual hasta su producción e introducción en el mercado. Un producto bien diseñado es: • Funcional (diseño). • Bien manufacturado (producción). • Bien empacado (para que llegue a salvo al usuario final o al cliente). • Durable (funciona efectivamente para el propósito destinado). • Conservable (tiene componentes que se pueden reemplazar o reparar, o a los que se puede dar mantenimiento con facilidad). • Un recurso eficiente (se puede desensamblar para reciclar los componentes). Selección del proceso de manufactura adecuado FACTORES DE COSTO. Cuando se analizan diferentes alternativas para fabricar una pieza, o para efectuar un proceso, aparecen factores de costo variables, que se relacionan entre sí en mayor o menor grado y afectan el costo total de cada pieza, estos son: • Materiales: El costo de los materiales es un factor importante cuando los procesos a evaluar incluyen el empleo de diferentes cantidades o formas de materiales alternativos. Además, el rendimiento y las pérdidas por desperdicios pueden llegar a tener una gran influencia en el costo de los materiales. Selección del proceso de manufactura adecuado • Mano de obra directa: En general, los costos de la mano de obra directa se determinan por: - El proceso de manufactura en sí. - La complejidad del diseño de la pieza o el producto. - La productividad de los empleados. - Requisitos de acabado y tolerancias dimensiónales. - Número de operaciones de manufactura para terminar la pieza o producto. Selección del proceso de manufactura adecuado Es importante anotar que cuando aumenta el número de operaciones: - Crecen los costos indirectos. - Hay más probabilidades de errores dimensionales acumulativos. - Se requiere más preparación de herramientas. - Aumentan los desperdicios y el “retrabajado”. - La programación del taller se vuelve más compleja. Selección del proceso de manufactura adecuado • Mano de obra indirecta: Cuando se evalúa el costo de métodos y diseños alternativos para producción, es importante la mano de obra para preparación, inspección, manejo de materiales, afilado y reparación de herramientas y mantenimiento de máquinas y equipos. • Herramientas especiales: Dispositivos como las matrices, troqueles, moldes, modelos, calibradores y otros, son un factor de costo importante cuando se inicia la manufactura de piezas nuevas o se introducen grandes cambios en los productos existentes. Un gran volumen de producción justifica fuertes inversiones en herramientas especiales. Selección del proceso de manufactura adecuado • Consumibles (herramientas y suministros de corta duración): Elementos como brocas, buriles, fresas, ruedas de amolar, limas, cuchillas, machuelos, rimas etc. y los suministros como lija de esmeril, solventes, lubricantes, fluidos para limpieza, sales, polvos, trapos para limpieza, cinta adhesiva, compuestos para pulir, etc. • Servicios generales: En general, el costo de la energía eléctrica, gas, vapor, refrigeración, calefacción, agua, aire comprimido y otros, se considera como parte de los gastos de manufactura, pero esos costos se deben calcular en forma específica cuando se emplean ampliamente durante un proceso de manufactura determinado. Selección del proceso de manufactura adecuado • Capital invertido: Cuando se va a iniciar la producción de una nueva pieza o producto, se debe tener en cuenta la disponibilidad de espacio, máquinas, equipo e instalaciones auxiliares junto con la inversión de capital requerida para métodos alternos. • Otros factores. Los costos de empaque, embarque, servicio y mantenimiento imprevisto, así como tolerancias para “retrabajar” y desperdicio, en ocasiones deben incluirse en el momento de hacer comparaciones de procesos. Clasificación de los procesos de manufactura Los procesos de manufactura pueden dividirse en operaciones de procesamiento y operaciones de ensamble. OPERACIONES DE PROCESAMIENTO. Una operación de procesamiento transforma un material de trabajo de una etapa a otra más avanzada, que lo sitúa cerca del estado final deseado para el producto. OPERACIONES DE ENSAMBLE. Las operaciones de ensamble pretenden lograr una pieza nueva, en algunos casos de mayor complejidad, como producto de la unión de piezas sencillas. Hay muchas maneras de lograr conjuntos, los procesos más importantes son los de soldadura, las uniones mecánicas y, la utilización de adhesivos. Clasificación de los procesos de manufactura Las operaciones de procesamiento las podemos clasificar de la siguiente manera: • Procesos de fundición. • Procesos de deformación volumétrica. • Procesos de conformado de lámina. • Procesos convencionales de maquinado. • Procesos de maquinado no tradicional. • Metalurgia de polvos. • Procesos de mejora de propiedades. Fundición de metales Conjunto de operaciones que permite dar forma a los materiales metálicos mediante su fusión, colado sobre molde apropiado y posterior solidificación dentro de él. Los procesos de fundición se pueden clasificar de la siguiente manera: a) Fundición con arena b) Fundición en molde permanente c) Fundición por centrifugación d) Fundición en molde de yeso e) Fundición en molde de cerámica f) Fundición a presión Procesos de deformación volumétrica En los procesos de deformación volumétrica se usa la deformación plástica para cambiar la forma de las piezas metálicas. La deformación resulta del uso de una herramienta que usualmente es un dado para formar metales, el cual aplica esfuerzos que exceden la resistencia a la fluencia del metal. Por tanto, el metal se deforma para tomar la forma que determina la geometría del dado. Se pueden clasificar de la siguiente manera: a) Estirado b) Forjado c) Laminado d) Extrusión e) Doblado de tubos y perfiles Procesos de conformado de lámina Los procesos de trabajo con láminas metálicas son operaciones de formado o preformado de láminas de metal, tiras y rollos. La mayoría de los procesos de trabajo de láminas metálicas se llevan a cabo en prensas; estos procesos se conocen como operaciones de troquelado. Troquelado convencional - Punzonado - Doblado - Embutido - Acuñado - Estampado - Repujado Troquelado para bajos volúmenes de producción - Cizallado - Recorte en ángulo - Punzonado de extremos - Cizallado rotatorio - Doblado en máquina dobladora - Doblado en prensa de cortina - Punzonado con torreta Troquelado fino - Achaflanado (interno o externo). - Doblado (laterales, lengüetas, salientes, etc.) Procesos convencionales de maquinado Habitualmente denominados procesos de mecanizado, se caracterizan por la obtención de la geometría final de la pieza mediante la eliminación del material sobrante de una preforma de partida. La eliminación de material se realiza fundamentalmente por medios mecánicos, utilizando herramientas de corte que son más duras y más fuertes que el metal de trabajo. Los procesos convencionales de maquinado los podemos clasificar así: • • • • • • • • a) Torneado (cilindrado, refrentado, roscado, cajeado o rasurado, taladrado, moleteado) b) Fresado c) Procesos para maquinar agujeros (Taladrado, Rimado, Ensanchado) d) Esmerilado (de superficies planas, cilíndrico) e) Brochado f) Cepillado g) Aserrado h) Machuelado y tarrajado Metalurgia de polvos La metalurgia de polvos es una tecnología de procesamiento de metales en la que se producen piezas a partir de polvos metálicos. En la secuencia usual de producción, los polvos se comprimen para darles la forma deseada y luego se calientan para ocasionar la unión de partículas en una masa dura y rígida. La compresión, llamada prensado, se realiza en una máquina tipo prensa cuyas herramientas se diseñan específicamente para la pieza que se va a producir. Las herramientas, que consisten generalmente en un troquel y uno o más punzones, pueden ser costosas y es por esto que la PM es más adecuada para niveles medios o altos de producción. El tratamiento térmico, llamado sinterizado, se realiza a una temperatura por debajo del punto de fusión del metal. Procesos de mejora de propiedades Son conocidos como tratamientos térmicos. El proceso consiste en calentar un material buscando un cambio en sus propiedades físicas. Al calentar y enfriar a temperatura ambiente, el material se ablanda o se endurece. Entre los más comunes se encuentran: - Recocido Normalizado Templado Cementado Revenido Procesos de soldadura por fusión La soldadura es un procedimiento por medio del cual se logra la unión permanente de piezas de metal u otros materiales. La unión resultante debe ser tan resistente como el metal base. Hay varios procesos de soldadura como se muestra: - Soldadura con arco eléctrico - Soldadura por arco con metal y gas inerte (MIG) - Soldadura por arco con tungsteno y gas inerte (TIG) - Soldadura por arco con plasma - Soldadura con haz de electrones - Soldadura con rayo láser - Soldadura por resistencia Pegado con adhesivos Los pegamentos o adhesivos son compuestos que pueden unir firmemente objetos entre sí, mediante atracción superficial. Las ligas con adhesivo generalmente son menos costosas, más fáciles de producir y más resistentes a la fatiga y a la corrosión que los sujetadores mecánicos o las soldaduras. Las ligas se hacen aplicando una película de adhesivo entre las piezas, las cuales se deben inmovilizar hasta que el adhesivo se solidifica; el pegamento se puede aplicar en estado sólido o fundido como líquido puro o en solución. El curado puede demorar desde unos segundos hasta días, pero, se puede acelerar aumentando la temperatura. La facilidad de ensamblaje está en relación directa con la técnica empleada para la aplicación y curado del adhesivo. Ensamble mecánico Este proceso consiste en unir una o más piezas dentro de otras o sobre otras con el fin de formar una pieza más compleja o un producto terminado. Generalmente los pasos para ensamble son acarreo, composición, verificación, y ajuste. Los elementos más usados en ensamble mecánico son sujetadores roscados, remaches y grapas. Actividad 1 Individualmente elaborar un resumen que describa las operaciones de procesamiento: • Procesos de fundición. • Procesos de deformación volumétrica. • Procesos de conformado de lámina. • Procesos convencionales de maquinado. • Procesos de maquinado no tradicional. • Metalurgia de polvos. • Procesos de mejora de propiedades. Preparar exposición. Fecha de entrega de reporte para el día Lunes 30 de enero. 1.2 Metodología para la fabricación de una pieza determinada. El proceso de dar forma a un producto mediante la eliminación de material es común a todo producto manufacturado, donde sólo varían las técnicas para eliminar dicho material. Las operaciones de maquinado se pueden dividir en dos categorías: - Donde la pieza de trabajo se mueve mientras que la herramienta está fija (típicamente el torneado donde el material gira sobre un eje fijo). - Donde se tiene un material de trabajo fijo mientras que la herramienta de corte es la que se desplaza (típicamente el fresado donde la herramienta gira sobre su eje y se desplaza sobre un material fijo). 1.2 Metodología para la fabricación de una pieza determinada. a) b) Figura 5. a) Proceso de torneado, b) proceso de fresado 1.2 Metodología para la fabricación de una pieza determinada. Una de las metodologías utilizadas por la ingeniería concurrente es el diseño para manufactura, DFM. El diseño y desarrollo de productos requiere no solamente el manejo de conceptos básicos de diseño mecánico convencional, sino la selección adecuada de materiales y procesos de fabricación. Es fundamental además de trabajar en equipos multidisciplinarios que involucren en el proceso de diseño tanto los atributos del cliente como las variables de ingeniería. Principios del diseño para manufactura • Reducir el número total de partes • Desarrollar un diseño modular • Usar materiales y componentes estandarizados • Diseñar partes multifuncionales • Diseñar para fácil fabricación • Evitar partes separadas • Minimizar las operaciones de manipulación • Utilizar tolerancias amplias • Minimizar el número de operaciones • Evitar operaciones secundarias. • Rediseñar componentes para eliminar pasos de proceso. • Minimizar las operaciones que no añadan valor. Diseñar para el proceso. Materiales comerciales Acero Inoxidable (AISI 303, 304, 310, 316, 430) Acetal Materiales comerciales Aluminio Principios del diseño para manufactura Realice mejoras a las piezas que se muestran de acuerdo al diseño para manufactura. ¿Qué procesos de manufactura se usa para su fabricación? Principios del diseño para manufactura Realice mejoras a las piezas que se muestran de acuerdo al diseño para manufactura. Principios del diseño para manufactura ¿Qué procesos de manufactura se utiliza para su fabricación? 1.3 Control numérico y su aplicación en los procesos de manufactura CNC significa Control Numérico Computarizado El control numérico CNC es una forma de automatización programable en base a una serie de instrucciones codificadas (Programa). El CNC es apropiado para volúmenes de producción bajos o medios, dado que es más fácil escribir nuevos programas que realizar cambios en los equipos de procesado. En una máquina CNC, a diferencia de una máquina convencional o manual, una computadora controla la posición y velocidad de los motores que accionan los ejes de la máquina. Las máquinas CNC son capaces de mover la herramienta al mismo tiempo en los tres ejes para ejecutar trayectorias tridimensionales, las que se requieren para el mecanizado complejo de moldes y troqueles. En una máquina CNC una computadora controla el movimiento de la mesa, el carro y el husillo. Una vez programada la máquina, ésta ejecuta todas las operaciones por sí sola, sin necesidad de que el operador esté manejándola. Esto permite aprovechar mejor el tiempo del personal para que sea más productivo. Factores que favorecen la incorporación del CNC en la Industria • Mayor exigencia en la precisión de los mecanizados • Diseños cada vez mas evolucionados y complejos • Necesidad de reducir errores en la producción para no encarecer el producto. • Plazos de entrega cada vez más exigentes, lo cual requiere mantener altos niveles de producción (tiempo de entrega). • El abaratamiento de los sistemas CNC en el mercado, favorece la adquisición de los mismos. Ventajas de la utilización de Sistemas Control Numérico CNC • Mejora de la precisión, así como el aumento de la calidad de los productos. • Una mejor uniformidad en la producción. • Posibilidad de utilización de varias máquinas simultáneamente por un solo operario. • Capacidad para realizar piezas con contornos de geometría compleja. • Fácil intercambio de la producción en intervalos cortos. • Reducción de la fatiga del operario. • Aumento de los niveles de seguridad en el puesto de trabajo. • Simular los procesos de mecanización o de corte antes de fabricar la pieza. Desventajas de la utilización de Sistemas Control Numérico CNC • Elevado costo de accesorios y maquinaria (3 a 5 veces mas caro que una maquina convencional). • Necesidad de cálculo, programación y preparación de la maquinaria para un funcionamiento eficiente. • Elevado costo de mantenimiento, ya que el sistema de control y mantenimiento de los mismos es mas complicado, generando la necesidad de contar con técnicos altamente capacitados. • Necesidad de mantener grandes volúmenes de pedidos para una mejor amortización del sistema (recuperar la inversión). Conocimientos para operar los Sistemas CNC • Conocimientos en geometría, algebra y trigonometría. • Conocimiento para la elección y diseño de las diferentes herramientas de corte. • Conocimiento de los diferentes sistemas de sujeción de las herramientas de corte. • Uso de instrumentos de medida y conocimientos de metrología. • Interpretación de planos. Conocimientos para operar los Sistemas CNC • Conocimientos de la estructura de la máquina CNC. • Conocimiento de los diferentes procesos de mecanización, velocidades de corte, velocidades de avance, revoluciones por minuto. • Conocimientos de la programación CNC. • Conocimientos del mantenimiento y operación CNC. • Conocimientos generales de Computadores. Máquina Herramienta Convencional Máquina Herramienta CNC Un operario, puede manejar una sola Un operario, puede manejar varias máquina maquinas Es necesario consultar constantemente No es necesario consultar el plano el plano (solamente se consulta cuando se realiza la programación). Se necesita una amplia experiencia No es necesario una amplia experiencia El operario tiene el profundidad, avance, etc. control El programa tiene todo el control de los parámetros de corte. Mecanizados imposibles de realizar Posibilidad de realizar prácticamente cualquier mecanizado Tipos de Controladores FAGOR FANUC SIEMENS HEINDENHAIN Máquina CNC. • Mecanismos de Posicionamiento. • Accionadores: Motores, Válvulas etc. • Sistemas de Control. • Sistemas de Medidas. • Sensores : Inducción, Fotoeléctricos, Ópticos. • Diseño de Máquinas. • Precisión y repetitividad. • Refrigeración (Aire o Aceite) y eliminación de virutas. Sistemas de cambio de herramientas (Optativo, Automático o Manual). • Torreta giratoria. • Almacén de herramientas. Movimiento de una Maquina CNC • Motores paso a paso (muy utilizados, bajo costo, poco torque para trabajo pesado, mas precisión. • Servomotores o motores encode o con sensor (alto costo, mas torque para procesos de trabajo. • Motores lineales (desplazamientos lineales de ejes). Periféricos de Entrada • Teclado y Panel de Mandos. • Conexión con el Computador (Ethernet). • Reglas ópticas o posicionadores. • Ratón o Mouse en equipos mas modernos. Unidades de Almacenamiento de datos • La información se guarda en el computador y se transfiere a la máquina mediante la conexión RS232 o Ethernet. • En el disco duro del propio control en maquinas CNC mas modernos (hay que considerar que la memoria que dispone el Control no tiene tanta capacidad). • Servidor de Red que este conectado a una serie de maquinas CNC. • Dispositivo portátil USB (Pendrive). Periféricos de Salida • • • • Monitor o Pantalla. Comunicaciones RS232. Conexión con Intranet. Control de Movimiento de los ejes y demás elementos móviles de la máquina. Función del Monitor • Visualizar la información que se suministra desde el teclado. • Controlar las comunicaciones entre otros sistemas informáticos. • Informarnos de todos los sistemas que la máquina tenga activados (falta de aire, aceite refrigerante). • Informarnos de las diferentes condiciones tecnológicas que se estén usando, RPM, velocidad de corte, velocidad de avance, tipo de herramienta. • Realizar la simulación de mecanizado por pantalla (computador o maquina). • Indicar los posibles errores que se detecten en el sistema. • Etc. Control de ejes y accesorios de máquina (PLC) Sistemas de Torretas Portaherramientas Carrusel de herramientas 16 herramientas aprox. Cadena de herramientas 50 herramientas aprox. Tambor de herramientas 10 herramientas aprox. Creación de Programas • Programación Manual a Pie de Máquina. • Programación en Computador. • Programación mediante sistema CAM Software CAD/CAM