Untitled Quiz

Introducción a los Procesos y Sistemas de Fabricación

• La fabricación se define tecnológicamente como la aplicación de procesos químicos y físicos para modificar la geometría y propiedades de un material, creando piezas o productos terminados. Implica la combinación de máquinas, herramientas, energía y trabajo manual.
• Económicamente, la fabricación transforma materias primas en artículos de mayor valor a través de operaciones de ensamblaje, cambiando su forma y/o propiedades.
• La historia de la fabricación se divide en el descubrimiento e invención de materiales y procesos, y el desarrollo de sistemas de fabricación.
• Los sistemas de fabricación son formas de organizar trabajadores y equipos para lograr una mayor eficiencia. Incluye hitos históricos importantes como la división del trabajo, la revolución industrial, la fabricación de piezas intercambiables, la segunda revolución industrial, la administración científica y la cadena de montaje.

Descubrimiento e invención de procesos

• Fundición: Data, posiblemente, de alrededor del año 4000 a. C. (puntas de lanza de cobre fundido). Los Sumerios (sur de Mesopotamia) utilizaban el bronce hacia el 3100 a. C. El método de la "cera perdida" ya se empleaba en Egipto y Mesopotamia y el "moldeo de avance", por los Chinos (800 a. C.).
• Forja: Evidencias de su utilización hacia el año 5000 a. C. en el antiguo Egipto, Grecia, Persia, China y Japón, utilizada para fabricar armas y otros elementos.

Descubrimiento e invención de procesos (Mecanizado)

• El torno y el taladro son las máquinas-herramienta más antiguas, con un posible primer uso en torno al año 1000 a. C.
• El mecanizado con CNC (Control Numérico Computarizado) apareció por la necesidad de mecanizar piezas con geometrías complejas y alta precisión, surgiendo en los Estados Unidos en el sector aeronáutico durante la Segunda Guerra Mundial. Hacia 1955 ya existían máquinas de CNC similares a las actuales, con menor capacidad de cálculo.

Desarrollo de los sistemas de fabricación

• División del trabajo: (1723-1790) organiza el trabajo total en tareas específicas para los trabajadores.
• Revolución industrial (1760-1830): Inglaterra, un cambio de una economía basada en la agricultura y artesanía a otra basada en la industria y la fabricación. Se inicia con la invención de varias máquinas como la máquina de vapor (Watt), máquina-herramienta, y la máquina de hilar.
• Fabricación de piezas intercambiables (1765-1825): Eli Whitney lo aplicó a la producción de rifles.
• Segunda revolución industrial (segunda mitad siglo XIX): Expansión del ferrocarril y los buques de vapor, creando una creciente necesidad de hierro y acero. Desarrollo de nuevos métodos de producción de acero.
• Producción en masa: método de producción industrial para fabricar productos de consumo en grandes cantidades.
• Administración científica (1913): planificación y control de actividades de producción (estudio de movimientos y tiempos, normas, recopilación de datos, para incrementar eficiencia).
• Línea de ensamble: (1913) Henry Ford. Sistema de producción donde el producto pasa a través de una serie de estaciones donde se realizan etapas del proceso hasta su finalización.

Industrias manufactureras y productos

• Las industrias manufactureras producen bienes y servicios. Se clasifican en primarias (explotación de recursos naturales), secundarias (transforman los recursos primarios en bienes de consumo) y terciarias (sector de servicios).

Productos: elementos fabricados por las industrias

• Clasificación:
  • Bienes de consumo (comprados por consumidores).
  • Bienes de capital (comprados por empresas para producir otros bienes o servicios, como maquinaria).
  • Productos finales (bienes de consumo).
  • Productos semi-acabados (materiales, componentes, suministros).

Producción

• Cantidad de producción: número de productos que fabricará anualmente. Se clasifica como baja (1-100 unidades), media (100 a 10.000), y alta (>10.000).
• Variedad de producto: número de modelos o tipos de productos fabricados en una planta. Se clasifica como alta, media o baja, según el número de productos diferentes. La variedad suave tiene pequeñas diferencias, mientras que la fuerte no tiene en común muchas partes. La capacidad de una empresa para gestionar una variedad de productos fuerte se considera alta.

Capacidad de fabricación tecnológica

• Capacidad tecnológica de proceso: conjunto de procesos disponibles en una empresa.
• Tamaño físico y peso del producto: tamaño y peso de los productos que puede fabricar una planta.
• Capacidad de producción: cantidad máxima de productos que una planta puede fabricar en un periodo establecido.
• Limitaciones físicas del producto: En cuanto al tamaño, peso y características físicas de los productos fabricados en la planta.

Materiales de ingeniería

• Se puede clasificar en metales, cerámicos, polímeros y materiales compuestos.
• Cada tipo de material tiene características diferentes que afectan al proceso de fabricación.

Metales

• Los metales usados en fabricación son comúnmente aleaciones. Las aleaciones ferrosas (base hierro y carbono) más importantes son el acero (0,02 a 2,11% de carbono) y las fundiciones (2 a 4% de carbono). Las aleaciones no ferrosas (base Al, Cu, Mg, Ti, Co, Ni...) son también importantes comercialmente, como las de aluminio, cobre, magnesio, níquel, estaño, titanio y zinc.

Cerámicos

• Material compuesto de elementos metálicos o semimetálicos y no metálicos (O, N y C). Incluye barro, sílice, alúmina y carburo de silicio. Incluyen nuevos materiales como los carburos de metal y nitruros para herramientas de corte y abrasivos.

Polímeros

• Compuestos formados por unidades estructurales (monómeros) repetidas. Se clasifican en termoplásticos (múltiples ciclos de calentamiento/enfriamiento) y termoestables (cambio químico a estructura rígida). Ejemplos: polietileno, poliestireno, cloruro de polivinilo, nylon, resinas fenólicas, aminorresinas y resinas epóxicas.

Materiales compuestos

• Mezclas no homogéneas de otros tipos de materiales (madera). Se clasifica en fibras de cerámico en matriz de polímero (vidrio en matriz de polímero), fibras de polímero en matriz de otro polímero (Kevlar) y materiales cerámicos en matriz metálica (carburo de tungsteno en matriz de cobalto).

Procesos de fabricación

• Operaciones de procesamiento (alteran la geometría de materiales): fundición, moldeado, procesos de deformación, procesos de eliminación de material (mecanizado), y mejoramiento de propiedades (tratamientos térmicos).
• Operaciones de ensamblaje (uniendo componentes): soldadura autógena, soldadura fuerte, soldadura blanda, y unión mediante adhesivos.

Sistemas de fabricación

• Organigrama de los departamentos de una empresa: funciones de departamentos como marketing, comercialización/ventas, compras, producción, administración, finanzas y recursos humanos.
• Sistemas de fabricación integrados por ordenador (CIM): una estructura que integra las partes de una máquina, procesos, y administración.

Fabricación integrada por ordenador (CIM)

• Surge de la necesidad de información sobre el estado constante de la producción, para poder hacer los sistemas más flexibles. En la integración de los procesos y la administración de una instalación de fabricación.
• En la fabricación integrada por ordenador (CIM), las funciones separadas (investigación, desarrollo, diseño, producción, ensamblaje, inspección, y control de calidad) se relacionan entre sí, con el propósito de mejorar la productividad, la calidad, la fiabilidad del producto y reducir costos de fabricación.

Fundamentos de CIM

• La flexibilidad de la producción es vital e implica la entrega del producto a tiempo al cliente.
• Modelos matemáticos y físicos para representar un sistema y facilitar su auto-ajuste ante cualquier cambio o perturbación.
• Se requiere la implementación de CIM con módulos incrementales en fases de operación (en plantas ya montadas). Se necesita un plan estratégico detallado.

Implantación de CIM

• Se necesita la disponibilidad de los recursos, un objetivo claro y la evaluación de los recursos tecnológicos emergentes.
• Los subsistemas integrados dentro de un sistema (Plan de negocio sostenible, Diseño del producto, Planificación y control del proceso de fabricación, Sistemas de monitorización y Automatización del proceso).
• Conocer un sistema complejo puede ser difícil por falta de información y, en algunos casos, predecir el correcto funcionamiento.
• Es aconsejable comenzar con módulos en fases distintas de la operación (para una eficiencia máxima).

Utilización de CIM

• Las ventajas para una empresa con CIM son: capacidad de respuesta al cambio del mercado, alta demanda de producto, uniformidad del producto.
• Una base de datos actualizada con exactitud, detalles, y precisión (productos, diseños, máquinas, procesos, finanzas, compras, ventas, mercadotecnia e inventario) es crucial para un sistema de fabricación integrada.
• Ejemplos de CIM incluyen la producción, relaciones entre departamentos (como CAO, CIM, CAM, compras).

CAD, CAM, CAE

• CAD ("diseño asistido por ordenador"): crea una base de datos empleando ordenadores para desarrollar diseños o modelos para un producto.
• CAE ("ingeniería asistida por ordenador"): simplifica la creación de bases de datos para que diferentes aplicaciones puedan compartir información de ellas.
• CAM ("fabricación asistida por ordenador"): ayuda en todas las fases de la fabricación del producto, incluyendo planificación, proceso, producción, mecanizado, evaluación y control de calidad.

Etapas de CAD/CAE

• Modelado geométrico (wire-frame, superficies, sólidos), análisis y optimización del diseño, revisión y evaluación del diseño, y documentación y dibujo.

Ventajas de CAM

• Maximizar la utilización de los equipos de producción (alta velocidad, 5 ejes, de múltiples funciones).
• Acortar notablemente los tiempos de desarrollo, planificación y fabricación de los productos.
• Mejorar la calidad de los componentes y el producto acabado.
• Reducir los tiempos muertos, la valoración de soluciones alternativas y los cálculos de precios.
• Conseguir mayor flexibilidad y optimización.

Ejemplos de software CAM (SIEMENS)

• NX CAM and CAM Express (programación NC): maximiza el valor de las inversiones y ofrece la gama de funciones para mecanizado de alta velocidad.
• Parasolid (software 3D): modelado geométrico para piezas complejas y ensamblajes, usado como motor en cientos de softwares CAD, CAM y CAE.

Tecnología de grupos (GT)

• Metodología que aprovecha las semejanzas en diseño y tipo de procesamiento para lograr variedades de productos suaves, agrupando piezas similares en familias.
• Iniciada en el siglo XX con catálogos de piezas para su posterior uso en la década de 1970, incrementando su uso con la aparición de ordenadores.
• Permite obtener beneficios en el diseño de piezas, planos, ingeniería de proceso y en la necesidad de espacio en planta, inventarios de materias primas y productos en proceso.

Factores que influyen en la difusión de GT

• Aumento de la variedad de artículos demandados, lo cual conduce a una reducción en el tamaño de los lotes.
• Aumento de la necesidad de tolerancias.
• Necesidad creciente de trabajar con una mayor variedad de materiales.
• Mejoras en la eficiencia de la mano de obra para reducir las tasas de piezas defectuosas y la generación de residuos. Este tipo de eficiencia en los procesos se obtienen con trabajadores mejor formados o automatizaciones.
• Ahorro obtenido en el diseño de nuevas piezas, en el número de planos, tiempo dedicado a ingeniería de proceso, necesidades de espacio en planta, inventarios de materias primas y tiempos de lanzamiento del producto.

Ventajas de la Tecnología de Grupos (GT)

• Mejorar diseño de productos, permitiendo una mejor base de datos.
• Estandarizar los diseños, eliminando duplicidades.
• Reducir tiempo de proceso, facilitando la producción y la distribución de los productos.
• Asignar más adecuadamente la distribución de la planta a través de las familias de piezas, reduciendo los costos de transporte de los materiales.
• Mejorar la eficiencia en el proceso de fabricación gracias a que los trabajadores puede manejar más de una máquina y se logra la fabricación con un bajo número de estaciones de trabajo.

Inconvenientes de la GT

• Los sistemas de clasificación y codificación implican mucho tiempo y esfuerzo, resultando costosos.
• Es fundamental una excelente comunicación entre los departamentos de Diseño y Fabricación, así como el apoyo de la dirección.
• La agrupación de máquinas no siempre conlleva la utilización completa de todas las máquinas, pudiendo haber sobrecapacidad en algunas o falta de uso en otras, lo que genera pérdidas de capacidad.
• La redistribución de la planta suele ser costosa, causando resistencia en los trabajadores que tendrían que cambiar sus métodos de trabajo.
• La dirección debe apoyar el cambio a la hora de introducir GT.

Clasificación de piezas

• Los sistemas de clasificación y codificación identifican y agrupan piezas en familias.

Codificación de piezas

• Se utilizan sistemas de códigos por números, letras o combinaciones de ambos.
• Codificación jerárquica: cada símbolo aumenta al dígito anterior; con lo que la información contenida es mayor. Complicada de usar en sistemas informatizados.
• Polídigos: cada dígito tiene su propia interpretación y no depende del anterior; lo que simplifica su uso en sistemas informatizados.

Sistema Opitz, MultiClass y KK-3

• Sistemas de codificación para piezas de mecanizado. El sistema Opitz tiene un código básico de 9 dígitos para expresar diseño y fabricación. El MultiClass se utiliza de forma interactiva con ordenadores, implicando hasta 30 dígitos. KK-3 con un sistema decimal a 21 dígitos para las características y relaciones dimensionales de la pieza.

Fabricación celular

• El concepto de tecnología de grupos se aplica en fabricación celular, donde se crea una unidad pequeña, con una o varias estaciones de trabajo.
• La fabricación celular se distingue por el énfasis en la organización alrededor del procesado.
• Características: menor trabajo en proceso, detección temprana de problemas de calidad, operador multifuncional, mayor productividad.
• Tipos de células y configuración: en cadena (orientado al producto), en jaula de pájaro (puestos multitarea con máquinas alrededor del trabajador), en disposición de proceso (mantenimiento de los materiales y las herramientas en la secuencia de los procesos), en forma de U (aislamiento entre islotes, mejor comunicación), en islotes (similar a las células de proceso, pero más abiertos) y las configuraciones multipuesto reasignables.

Sistemas de fabricación flexible (FMS)

• Integra todos los elementos principales con un sistema muy automatizado.
• Combina las ventajas de la fabricación en línea y los pequeños talleres de producción, adaptándose al cambio de productos que demandan los clientes.
• Se utilizan para la fabricación de piezas con variaciones limitadas (variedad suave) (alta eficiencia).
• Reduce los tiempos muertos, mejora la administración, y reduce los inventarios.

Elementos básicos de un FMS

• Estaciones de trabajo, que dependen del tipo de producción.
• Manejo y transporte automatizado de materiales y piezas.
• Sistema de control que controla las máquinas, transporte de materiales, pieza y comunicación que muestra datos en forma visual.
• Las máquinas CNC pueden ser fácilmente reconfiguradas para adaptarse a nuevas formas de configuración.
• El sistema central y el software que se encargará de controlar y dirigir el sistema, con una interfaz amigable con el operador.

Herramientas para el diseño

• Cuadro y diagrama de precedencias: descomponer el trabajo en operaciones precedentes.
• Diagrama de procesos: muestra la secuencia de operacione.
• Hoja de combinación de trabajos: indica las cantidades y el tiempo para cada puesto de trabajo.
• Asignación de tareas a puestos de trabajo: identificar las tareas y asignarlas a puestos o estaciones de trabajo de acuerdo a criterios específicos, como la secuencia de las operaciones, el tiempo de ejecución y el espacio disponible para cada puesto.

Mejora de ergonomía

• Reglas básicas: trabajo a la altura del ombligo, trabajo horizontal, alcance brazo a una distancia de 30 cm, etc.
• Ejemplos: reducir movimientos, usar dispositivos de gravedad, mejorar la altura para la operación, combinar herramientas en una sola, usar la manipulación para mover materiales, etc.

Equilibrado de línea: Takt time

• Tiempo Takt: tiempo para producir una pieza.
• Tiempo Total Disponible: tiempo total del turno de trabajo.
• Tiempo Neto Disponible: tiempo para producción tras restar paros planificados.
• Tiempo de Operación: tiempo de producción sin considerar tiempo no productivo.
• Eficiencia (OEE) = Productividad = (Calidad)x (Disponibilidad) x (Eficiencia)

Equilibrado de línea: Nivelado

• Se logra cuando el volumen de producción y los tipos de productos son distribuidos de manera uniforme en el tiempo de operación.
• Se consideran parámetros adicionales de efectividad como la polivalencia (rotación de personal o supervisores, rotación por sección, rotación de tareas).

Mantenimiento

• Mantenimiento correctivo: se aplica cuando ya se ha producido una avería. Es impredecible y genera pérdidas y costes adicionales.
• Mantenimiento preventivo (o programado): intervenciones o cambios en los componentes de las máquinas a intervalos regulares, con el beneficio de la previsibilidad.
• Mantenimiento predictivo: analiza comportamientos para determinar puntos críticos antes de que ocurra una avería, minimizando así las pérdidas de producción.
• TPM (Mantenimiento Productivo Total): maximizar la efectividad del equipo, con responsabilidades para todos los departamentos y todos los empleados.
• Se plantea la mejora de este proceso a través del análisis de varias etapas (Fase de preparación, fase de ejecución, y fase de estabilización), y la determinación de 6 grandes perdidas causantes de un pobre mantenimiento (falla de equipos, cambios de utiles, tiempos en vacío, reducción de la velocidad, defectos de proceso, y reducción en el rendimiento). (TPM: S. Nakajima)
• Ejemplo de herramientas para el mantenimiento : cámaras termográficas, equipos de ultrasonidos, control de intensidad/voltages, vibración de equipos (vibrómetros), desgaste de herramientas, verificación de la existencia de grietas en los productos.
• GMAO (Gestión de Mantenimiento Asistido por Ordenador): Una herramienta que facilita la gestión de los servicios de mantenimiento de una empresa y provee información de las operaciones y tareas.
• Indicadores clave de mantenimiento: índice primario (STOP), índice secundario (fiabilidad, mantenibilidad y disponibilidad)

Verificación

• Control estadístico de procesos (SPC): se usan para representar la evolución del comportamiento estadístico del proceso, separando las causas asignables o aleatorias dentro de un proceso específico.

• Causas no asignables o aleatorias: son las regulares que provienen de manera aleatoria y suelen ser más predecibles, por lo que para estas situaciones se usan modelos estadísticos.

• Causas asignables: son las irregulares y no predecibles.

• Diagrama causa-efecto (Ishikawa): es un diagrama de líneas y símbolos que reflejan las relaciones entre los efectos observados y sus causas.

• Diagrama de Pareto (diagrama 80/20): clasifica las causas por su frecuencia , ayudando a identificar las causas prioritarias que desencadenan la mayor cantidad de defectos.

• Herramientas y equipos empleados en verificación: Los principales instrumentos son los medidores de coordenadas, cámaras de visión artificial y máquinas de test y ensayos (microdureza, tracción, fatiga, espesor recubrimiento, impacto).

• SCADAS (Supervisión, Control y Adquisición de Datos): software de arquitectura abierta capaz de crecer y adaptarse a diferentes necesidades, comunicando fácilmente con los departamentos, usuario y elementos de planta, con un software fácil de instalar y usar.