Tema 01 Introducción a Sistemas y Tecnologías de Fabricación 2024-2025 PDF

Curso 2024/2025 Tema 01 Introducción a Sistemas y Tecnologías de Fabricación Profesor: Diego Carou Porto Área de Enxeñería dos Procesos de Fabricación Escola de Enxeñería Industrial...

Curso 2024/2025 Tema 01 Introducción a Sistemas y Tecnologías de Fabricación Profesor: Diego Carou Porto Área de Enxeñería dos Procesos de Fabricación Escola de Enxeñería Industrial Universidade de Vigo ÍNDICE 1. Contexto 2. Ingeniería de fabricación 3. Sistemas de fabricación y producción 4. Sotfware 5. Selección del proceso de fabricación 6. Referencias Contexto 4ª Revolución Industrial La Cuarta Revolución Industrial, también conocida como Industria 4.0 (Schwab, 2016) es la que se viene desarrollando en los últimos años. En esta nueva etapa la industria avanza hacia la completa digitalización a partir de la integración de sistemas desarrollada en los 1970s (Computer-Integrated Manufacturing). Fuente imagen: https://innovate.ieee.org/innovation-spotlight-ieee-fueling-fourth-industrial-revolution/ Contexto Tecnologías La Industria 4.0 se fundamenta en un conjunto de tecnologías habilitadoras. Ciberseguridad Internet de las Realidad A/V cosas Computación en la I4.0 Big data - ML nube Integración de Robots autónomos sistemas H/V y colaborativos Fabricación aditiva Fuente imagen: https://www.i-scoop.eu/manufacturing-industry/ Contexto El proceso de fabricación / producción no se puede analizar de modo aislado. Debe ser analizado dentro de su ciclo de vida, sustituyendo los procesos lineales por procesos circulares que reduzcan el impacto ambiental. Proceso lineal Fuente imagen: https://www.ubu.es/ Contexto Proceso circular Fuente imagen: http://theconversation.com Contexto Gestión Product lifecycle management (PLM) is the process of managing a product’s lifecycle from inception, through design and manufacturing, to sales, service, and eventually retirement. (SAP) Fuente imagen: https://insights.sap.com/what-is-product-lifecycle-management/ Contexto Incremento de la población, envejecimiento, Macrotendencias: crecimiento de la economía digital, China, materias primas, desigualdad… La ingeniería ya no solo se limita a trabajar en términos de coste, calidad y tiempo, sino que debe considerar otro tipo de aspectos. ÉTICAS MEDIOAMBIENTALES SOCIALES Todo lo anterior es introducción https://www.economist.com/graphic-detail/2018/04/24/a-study-finds-nearly-half-of-jobs-are-vulnerable-to-automation http://futurict.blogspot.com/log https://blogs.salleurl.edu/en/energy-consumption-data-center Fuente imagen: Sartal, A., Carou, D., Davim, J.P. Enabling Technologies for the Successful Deployment of Industry 4.0, 1, CRC Press, 2020 Ingeniería de fabricación Ingeniería: conjunto de conocimientos orientados a la invención y utilización de técnicas para el aprovechamiento de los recursos naturales para la actividad industrial (RAE). Fabricación: producir objetos en serie, generalmente por medios mecánicos (RAE). Distinción fabricación y producción: la fabricación se entiende como un proceso de transformación de materias primas en componentes aislados. El ensamblaje de componentes se entiende como producción. Fuente imagen: https://www.businessinsider.com/rolls-royce-engine-factory-airbus-2017-6?IR=T Ingeniería de fabricación Proceso de fabricación Secuencia de operaciones requeridas para elaborar una pieza o producto, según unas especificaciones de diseño, a partir de unas materias primas, con el apoyo de recursos de producción (máquinas, energía, mano de obra…), mediante un sistema de fabricación, siguiendo ciertas reglas conocidas, sometido simultáneamente a parámetros controlados y no controlados (variabilidad). Fuente imagen: Kalpakjian y Schmid Ingeniería de fabricación Los procesos de fabricación son actividades complejas que incorporan una gran variedad de fases y recursos: o Diseño de la pieza o producto. o Maquinaria y herramientas. o Planificación del proceso. o Materiales. o Compras. o Fabricación. o Control de la producción. o Servicios de soporte. o Marketing. o Ventas. o Transporte. o Servicios al cliente. Ingeniería de fabricación METROLOGÍA Permiten modificar la geometría, las propiedades Deformación plástica y el aspecto del material de Mecanizado trabajo Conformado de plásticos Moldeo CONFORMADO Pulvimetalurgia Fabricación aditiva Conformado de materiales compuestos PROCESOS DE FABRICACIÓN Soldadura UNIONES Pegado por adhesivos PERMANENTES ENSAMBLE Permiten unir componentes para crear nueva entidad Fijaciones permanentes UNIONES Fijaciones roscadas MECÁNICAS Sistemas de fabricación y producción Concepto de sistema de fabricación -Como proceso tecnológico Maquinaria Herramientas Energía Trabajadores Material inicial Proceso de fabricación Pieza final Desperdicio Fuente imagen: adaptado de Groover Sistemas de fabricación y producción Concepto de sistema de fabricación -Como proceso económico Proceso de fabricación Valor añadido Material inicial Material en proceso Pieza final Fuente imagen: adaptado de Groover Sistemas de fabricación y producción Sistemas de fabricación Se compone de máquinas de producción, sistemas de transporte de materiales, sistemas de control controlados por computador y recursos humanos. Los sistemas de fabricación se pueden caracterizar: o Operaciones: procesado en una pieza o ensamblado. o Número de estaciones: una o múltiples. o Nivel de automatización: manual, semiautomatizado o automatizado. o Flexibilidad: variabilidad que el sistema puede admitir. Sistemas de fabricación y producción Sistemas de producción Se compone de personas, equipos y procedimientos dirigidos a realizar las operaciones de fabricación de la empresa. Se pueden distinguir los dos componentes principales: o Instalaciones: sistemas de fabricación, layout de la planta (distribución de los equipos) y la fábrica (edificio). o Sistemas de soporte a la fabricación: diseño de producto, planificación de la producción, control de la fabricación y funciones empresariales. Sistemas de fabricación y producción Sistema de producción y el sistema de fabricación Fuente imagen: Groover Sistemas de fabricación y producción Tipologías de industrias: Las industrias de estudio se centran, principalmente, en el sector secundario, aunque las principales ideas pueden ser extrapolables. Se pueden distinguir empresas de procesado (ej: farmacéuticas, químicas, petróleo, comida, bebida, energía) y empresas de productos discretos (ej: automoción, aeronáutica). Además, se puede distinguir dos tipos de producción según el output del proceso: o Producción continua: el producto se obtiene de manera continua, sin interrupciones. Ejemplo: líquido, gas, partículas. o Producción por lotes: los productos se obtienen en cantidades finitas. Ejemplo: automóviles, aviones, motores. Sistemas de fabricación y producción Tipologías de industrias: Fuente imagen: Groover Sistemas de fabricación y producción Tipologías Fuente imagen: Groover Sistemas de fabricación y producción Sistemas de producción según cantidades Baja producción: cantidades 1 a 100. Cuando se hace un único producto se habla de proyecto (ejemplo: transbordador espacial). El sistema de trabajo para lotes pequeños se denomina job shop (taller): o Productos complejos. o El equipo es de propósito general. o Mano de obra altamente cualificada. o Suele ser un producto difícil de mover. Por tanto, la posición de fabricación/montaje es fija. Los componentes necesarios suelen venir de plantas organizadas por procesos (process layout): torno, fresado, rectificado, etc. Sistemas de fabricación y producción Media producción: cantidades 100 a 10000. El sistema de trabajo se denomina batch production (producción por lotes): o Se fabrican lotes. Suelen repetirse los pedidos a lo largo del tiempo. o La maquinaria debe ser flexible. Capaz de adaptarse a los distintos lotes a fabricar. o Entre lotes hay un tiempo perdido para reprogramar máquinas, setups. o La organización del proceso suele organizarse con process layout. Si la variedad de productos no es grande, puede organizarse la producción en células de fabricación (cellular manufacturing) con el objetivo de reducir al máximo los tiempos perdidos entre cambios. Estas células se diseñan para adecuarse a ligeras variaciones en los productos. Sistemas de fabricación y producción Alta producción: cantidades 10000 en adelante. Se suele designar como producción en masa. Se distingue quantity production y flow-line production: o Quantity production. El objetivo es fabricar grandes cantidades de piezas estándar. La organización en process layout. Por ejemplo: prensas con matrices para piezas concretas. o Flow-line production. La organización de la producción se basa en una secuencia. Las piezas o submontajes se mueven hacia adelante en la línea de proceso. Las estaciones se diseñan específicamente para un producto. Es una organización tipo product layout. El producto suele ser movido mediante métodos no manuales entre estaciones. La línea de flujo típica es la de los automóviles. La línea de ensamblaje. Se distinguen single-model production line y mixed-model production line. En la segunda, el producto puede ir variando. Software El desarrollo de la informática ha proporcionado grandes avances en el proceso de diseño y fabricación de productos. En particular, el software permite mejorar la etapa de diseño gracias a los programas de tipo CAD (Computer Aided Design). Del mismo modo, los programas de tipo CAE (Computer Aided Engineering) permiten simular el comportamiento de un componente evaluando esfuerzos, deflexiones, temperaturas; y con ello, poder mejorar el diseño. Finalmente, las tecnologías CAM (Computer Aided Manufacturing) actúan de nexo entre el diseño y la fabricación, permitiendo transformar geometrías en código máquina. Selección del proceso de fabricación La selección del proceso de fabricación no depende únicamente de un factor, sino que debe ser una decisión que tome en consideración una gran cantidad de factores interrelacionados. Material Propiedades Desperdicios mecánicas Proceso de Calidad dimensional Sostenibilidad fabricación Productividad Coste … Selección del proceso de fabricación Uno de los elementos clave, que condiciona la selección del proceso de fabricación, es la elección del material de trabajo. Actualmente, existe una amplia gama de materiales disponibles, con sus ventajas e inconvenientes. Los principales tipos incluyen: o Metales ferrosos: aceros al carbono, aleados, inoxidables y para herramientas y matrices. o Metales no ferrosos: aluminio, magnesio, cobre, níquel, titanio, superaleaciones, metales refractarios, berilio, zirconio, aleaciones de bajo punto de fusión y metales preciosos. o Plásticos (polímeros): termoplásticos, termofijos y elastómeros. o Cerámicos, vidrios, cerámicos vidriados, grafito, diamante y materiales como el diamante. o Materiales compuestos: plásticos reforzados, compuestos de matriz metálica y de matriz cerámica. o Nanomateriales, aleaciones con memoria de forma, aleaciones amorfas, semiconductores, superconductores y otros materiales avanzados con propiedades únicas. Selección del proceso de fabricación Un criterio importante de partida de cara a la selección del material es estudiar su disponibilidad y formato de suministro. Fuente tabla: Kalpakjian y Schmid Selección del proceso de fabricación Cada material presenta un comportamiento diferente según sus propiedades en distintos procesos de fabricación. Es decir, cada material tiene métodos de procesado preferentes. Fuente tabla: Kalpakjian y Schmid Selección del proceso de fabricación El coste del material, claramente, condiciona la elección del mismo para una determinada aplicación. Fuente tabla: Kalpakjian y Schmid Selección del proceso de fabricación La elección del material/proceso de fabricación tiene un importante efecto en el porcentaje de aprovechamiento/desperdicio de material. Fuente tabla: Kalpakjian y Schmid Selección del proceso de fabricación El proceso condiciona también el resultado de la pieza obtenida: tolerancias y calidad superficial. Fuente imagen: Kalpakjian y Schmid Referencias o Zainul Huda. Manufacturing Mathematical Models, Problems, and Solutions. CRC Press o Mikell P. Groover. Automation, production systems, and computer- integrated manufacturing. 4th edition. o Kalpakjian, Serope. Manufactura, ingeniería y tecnología. Edición: 5ª ed. Editorial: México: Pearson Educación, 2008. o Groover, Mikell P. Fundamentos de manufactura moderna: materiales, procesos y sistemas. Edición: 3ª ed. Editorial: México: Prentice-Hall Hispanoamérica, 2007. o Sartal, A., Carou, D., Davim, J.P. Enabling Technologies for the Successful Deployment of Industry 4.0, 1, CRC Press, 2020 o Granta: www.grantadesign.com (selección de materiales).  Curso 2024/2025 Tema 01 Introducción a Sistemas y Tecnologías de Fabricación Profesor: Diego Carou Porto Área de Enxeñería dos Procesos de Fabricación Escola de Enxeñería Industrial Universidade de Vigo