Fundamentos de la Manufactura Moderna

Fundamentos de la Manufactura Moderna

• La manufactura implica procesos físicos y químicos para modificar la geometría, propiedades o apariencia de materiales en la creación de piezas o productos.
• Incluye el ensamblaje de componentes.
• La manufactura requiere una combinación de maquinaria, herramientas, energía y mano de obra.
• La manufactura añade valor económico al material trabajado.

Industrias Manufactureras

• La industria primaria se dedica a la extracción y cultivo de recursos naturales.
• La industria secundaria transforma los productos de la industria primaria en bienes de consumo o capital.
• La industria terciaria abarca el sector de servicios de la economía.

Cantidad de Producción

• Baja: de 1 a 100 unidades por año.
• Media: de 100 a 10,000 unidades por año.
• Alta: de 10,000 a varios millones de unidades por año.
• Variedad suave de productos: pequeñas diferencias entre productos.
• Variedad dura: diferencias sustanciales, pocas o ninguna parte en común entre los diferentes tipos de producto.

Propiedades Mecánicas y Relaciones Esfuerzo-Deformación

• Tensión: fuerza que estira un material.
• Compresión: fuerza que compacta un material.
• Cortante: tensiones que causan el deslizamiento de porciones adyacentes.
• Perfectamente elástico: se fractura en lugar de deformarse permanentemente. Materiales frágiles como la cerámica no son aptos para el laminado.
• Elástico y perfectamente plástico: tiene una rigidez definida (E) y se deforma plásticamente bajo un esfuerzo constante (Y). Los metales calentados se comportan de esta manera.
• Elástico y endurecimiento por deformación: requiere un aumento continuo del esfuerzo. La mayoría de los metales dúctiles se comportan así cuando se trabajan en frío.

Dimensiones, Tolerancias y Superficies

• Las dimensiones en planos representan los tamaños nominales o básicos deseados.
• Las tolerancias definen los límites de variación permitidos.
• Las superficies afectan la seguridad, fricción, propiedades mecánicas y el ensamblaje de piezas.
• El sustrato es el material base con una estructura granular dependiente del procesamiento.
• La textura de la superficie incluye rugosidad, ondulaciones y defectos.
• Capa alterada: zona debajo de la superficie con estructura diferente, resultado de procesos superficiales.
• La rugosidad son desviaciones pequeñas y espaciadas de la superficie nominal, determinadas por el material y el proceso.
• Las ondulaciones son desviaciones más amplias debido a la deflexión, vibraciones y tratamientos térmicos.
• La orientación es la dirección predominante de la textura, dictada por el método de manufactura.
• Los defectos son irregularidades ocasionales como grietas, rayaduras e inclusiones.

Metales

• Poseen rigidez y resistencia elevadas.
• Son tenaces y absorben mejor la energía.
• Exhiben una buena conductividad eléctrica.
• Exhiben una buena conductividad térmica.
• Metal fundido: Metal en su forma inicial a partir de una pieza fundida
• Metal forjado: Metal que ha sido trabajado después de la fundición, con mejores propiedades mecánicas.
• Metal pulverizado: Metal en forma de finos polvos, convertido en piezas mediante técnicas especiales.
• Ferrosos: basados en hierro, como aceros y hierro colado.
• No ferrosos: todos los demás metales, como aluminio, cobre, níquel, titanio y zinc.
• Aleaciones: Metal compuesto por dos o más elementos, al menos uno metálico.

Categorías de Aleaciones

• Solución sólida: un elemento se disuelve en otro formando una estructura de fase única.
  • Solución sólida sustitucional: átomos del solvente son reemplazados por el elemento disuelto.
  • Solución sólida intersticial: átomos del solvente se acomodan en espacios entre los átomos del metal base.

Metales Ferrosos

• El hierro puro se funde a 1539° C y pasa por transformaciones de fase sólida al calentarse.
• El hierro comercial está disponible en varios grados de pureza, desde electrolítico (99.9%) hasta hierro de lingote (0.1% de impurezas).
• El hierro forjado tiene un 3% de escoria y poco carbono.
• La resistencia del hierro aumenta significativamente al aumentar el contenido de carbono.

Producción de Hierro y Acero

• La hematita es el mineral principal, otros minerales son la magnetita y la limonita.
• Los yacimientos de hierro contienen 50-70% de hierro.
• El coque es un combustible alto en carbono que suministra calor y monóxido de carbono para reducir el mineral.
• La caliza actúa como fundente para retirar impurezas.

Fabricación de Hierro

• En altos hornos, se coloca carga de mineral, coque y caliza.
• El monóxido de carbono reduce el mineral de hierro.
• La cal se convierte en cal (CaO) y se combina con impurezas formando escoria.
• Se requieren aproximadamente siete toneladas de materias primas para producir una tonelada de hierro.

Fabricación de Acero

• Horno de oxígeno básico: se utiliza oxígeno puro para refinar el hierro.
• Horno de arco eléctrico: usa chatarra de hierro y acero calentadas por un arco eléctrico. Destaca por la calidad del acero, pero tiene un costo más elevado.
• Fundición o colada continua: reduce el tiempo de solidificación en comparación con la fundición tradicional de lingotes.

Aceros

• Aleación de hierro con contenido de carbono entre 0.02% y 2.11%.
• Aceros al carbono: el carbono es el principal elemento de aleación.
  • Aceros al bajo carbono tienen menos de 0.20% de C y son los más utilizados.
  • Aceros al medio carbono contiene entre 0.20% y 0.50% para aplicaciones que requieren resistencia.
  • Aceros al alto carbono tienen más de 0.50% para mayor resistencia, rigidez y dureza.
• Aceros de baja aleación: contienen menos de 5% de elementos adicionales.
• Cromo (Cr): Aumenta la templabilidad y mejora la resistencia a la corrosión.
• Manganeso (Mn): Aumenta la resistencia y dureza.
• Molibdeno (Mo): incrementa la tenacidad y dureza en caliente.
• Níquel (Ni): mejora la resistencia y tenacidad.
• Vanadio (V): mejora la resistencia y tenacidad.

Aceros Inoxidables

• Contienen al menos 15% de cromo para resistencia a la corrosión mediante una película de óxido.
  • Inoxidables austeníticos: contienen 18% Cr y 8% Ni, son los más resistentes a la corrosión.
  • Inoxidables ferríticos: contienen 15-20% de cromo pero nada de níquel; son magnéticos y menos dúctiles.
  • Inoxidables martensíticos: contienen más carbono que los ferríticos, son fuertes, duros y resistentes a la fatiga.

Aceros para Herramientas

• Son altamente aleados para herramientas de corte, troqueles y moldes. Requieren resistencia elevada, dureza, resistencia al desgaste y tenacidad a los impactos.

Hierros Colados

• Aleación de hierro con 2.1-4% de carbono y 1-3% de silicio, muy apropiado como metal de fundición.
  • Hierro colado gris: composición da como resultado escamas de grafito dando buen amortiguamiento a la vibración y cualidades de lubricación interna.
  • Hierro dúctil: el metal fundido recibe un tratamiento químico antes de vaciarlo para provocar la formación de esferoides de grafito en lugar de escamas, dando como resultado un hierro más dúctil y fuerte.
  • Hierro colado blanco: Se forma por un enfriamiento más rapido del metal fundido que el gris, lo que hace que el carbono permanezca en combinacion quimica con el hierro en forma de cementita (Fe3C), en vez de precipitarse en la solucion en forma de escamas

Metales no Ferrosos

• Aluminio: Buena conductividad eléctrica y resistencia a la corrosión debido a una película superficial de óxido.
• Magnesio: Fácil de maquinar, aleado para alcanzar resistencias comparables a las de las aleaciones de aluminio.
• Cobre: Resistividad eléctrica baja y excelente conductividad térmica, resistente a la corrosión aun cuando su recistencia y dureza son relativamente bajas
• Níquel: Resistente a la corrosión y las propiedades a alta temperatura de sus aleaciones son superiores.
• Titanio: Por su peso ligero y su mayor relación resistencia-peso, por lo que posee aplicaciones aeroespaciales,
• Zinc: Su bajo punto de fusión los hace atractivos como metal de fundición dando protección contra corrosión al acero recubrido con este material-
• Plomo: Metal denso con punto bajo de fusión, también utilizado para soldaduras, recubrimiento contra rayos x.
• Estaño: tiene un punto de fusión aun mas bajo que el plomo, sirve para recubrir contenedores para almacenar alimentos.
• Metales Refractarios: Soportan temperaturas altas, los más importantes son el molibdeno y el tungsteno.

Fundición

• Proceso donde el metal derretido fluye por gravedad hacia un molde donde se solidifica formando la cavidad.
• Ventajas: Crear forma complejas incluidas externas e internas.
• Algunos de los procesos de fundición pueden producir formas de piezas casi netas para la obtención de formas y dimensiones requeridas.
• Algunos de los procesos emleados permiten obtener el producto de la cavidad de forma directa, sin que requieran operaciones adiocionales ya que se crean formas casi netas o netas.
• Puede ser empleado o se lleva a cabo en un metal se puede calentar hasta llegar se lleva a cabo en cualquier metal que se pueda calentar para llegar a estado liquido.
• Los Moldes pueden ser de forma abierta (contenedor con la forma de la pieza que se desea
• El molde cerrado contiene pasajes de acceso a la cavidad.

Procesos de fundición con moldes desechables

• Moldeo por cascarón: La arena mezclada con una resina termo fija se cura sobre un modelo caliente, formando una cáscara que se retira, se calienta y se utiliza como molde.
• Moldeo al vacío: Una película de plástico se precalienta sobre un modelo, se cubre con arena y otra película, se aplica vacío para formar un molde rígido.
• Espuma perdida: El modelo de Poliestireno se recubre con un compuesto refractorio, se coloca en la Caja del molde, se compacta arena alrededor del modelo, se vierte el metal fundido, desplaza al modelo de espuma y lo vaporiza.
• Cera perdida: Se producen los modelos de sera, donde la cera se recupera para darle nueva vida. Las ventajas són quees posible fundir piezas con tolerancia muy pequeñas , se obtiene un acabado bueno en la superficie.

Fundición con Moldes Permanentes

• Los moldes se precalientan y se revisten, se insertan los núcleos (si los hay) y se cierra el molde, se vierte le metal derretido, se abre el mólde y se obtine la pizza terminada.
• Fundición con troquel: Se inyecta metal fundido en un troquel a presión elevada, manteniendo la presión hasta la solidificación.

Maquinarias de fundicion con Troquel

• Maquinas de Camara Caliente: El metal se derrite en un contenedor adasado de la máquina, piston inyector el cual emplea metal líquido a alta presión para transferir su contenido al troquel, el proceos esta limitado a aplicaciones de metales con bajo punto de fusion.
• Función troquel de cámaras Frias: Se vierte derretido a cámara se presiona hacia la Cavidad troquel.

Metalurgia de Polvos (PM)

• Proceso de fabricación de piezas a partir de polvos metálicos comprimidos y calentados.
• Las piezas de PM se pueden producir masivamente en forma neta casi neto, esta es que elimina totalmente o reduce la necesidad de productos posteriores.
• Los procesos poco Desperdicio de aproximadamente el 97% de los polis iniciales se comberten en producto.
• PM comparación de control Dimensión de algunos procesos fundición refiere productos Las tolerancias rutinarias Las que pueden lograr son minimas

Limitaciones y Desventajas del Procesamiento PM

• Costo del Equipo y Herramienta es alto.
• Costo los polos metálicos altos.
• Riesgos Incendio de metal de polvo fino.
• PM se Pueden Automatizar Para hacer más Económica La operación
• Problemas que la variación de la densidad del material sea través de la pizza pueden Problema Especialmente Para las piezas de forma compleja

Formacion de los Metales

• Atomizacion
• Combinacion y mezclado de pólvos
• Compactación
• Sinterizado