Introducción y Panorama de la Manufactura

Que es la manufactura?

La palabra manufactura se deriva de la palabra latina manus (mano) y factus (hacer); la combinación de ambas significa hecho a mano. La palabra manufacturas tiene varios siglos de antigüedad, y “hecho a mano” describe en forma adecuada los métodos manuales que se utilizan cuando se acuño la expresión.

Definición de manufactura

La manufactura se puede definir de dos maneras: una tecnológica y otra económica. La manufactura es la aplicación de procesos físicos y químicos para alterar la geometría, propiedades o apariencia de un material de inicio dado para fabricar piezas o productos.

En el sentido económico, la manufactura es la transformación de los materiales en artículos de mayor valor por medio de una o más operaciones de procesamiento o ensamblado. Un ejemplo seria cuando el petróleo se refina y se convierte en plástico su valor aumenta. Y cuando el plástico se modela en la geometría compleja de una silla de jardín, se vuelve más valioso.

Las industrias manufactureras y sus productos

Industrias manufactureras: loas industrias consisten en empresas y organizaciones que producen o suministran bienes y servicios. Las industrias se clasifican como primarias, secundarias o terciarias. Las industrias primarias cultivan y explotan recursos naturales, tales como la agricultura y la ganadería. Las industrias secundarias toman las salidas de las primarias y las convierten en bienes de consumo y capital. En esta categoría la manufactura es la actividad principal, pero también quedan incluidas las construcciones y la generación de energía. Las industrias terciarias constituyen el sector de servicios de la economía.

Los productos manufacturados: se dividen en dos clases principales: bienes de consumo y bienes de capital. Los bienes de consumo son productos que los consumidores compran en forma directa, como autos, computadoras personales, televisión, neumáticos y raquetas de tenis, entre muchos otros más. Los bienes capitales son aquellos que adquieren otras compañías para producir bienes y prestar servicios.

Los materiales en la manufacturas

La mayor parte de los materiales para ingeniería se clasifican en una de tres categorías básicas: 1) metales  -  2) cerámicos  -  3) polímeros. Sus características químicas son diferentes, sus propiedades mecánicas y físicas no se parecen y afectan los procesos de manufacturas susceptibles de emplearse para obtener productos de ellos. Además de las 3 categorías básicas hay 4) compuestos. Mescla no homogéneas de los otros tres tipos fundamentales.

Metales

Los metales que se emplean en la manufacturas, por lo general son aleaciones, que están compuestas de dos o más elementos con al menos uno en forma metálica. Los metales se dividen en dos grupos básicos: 1) ferrosos  y  2) no ferrosos

Metales ferrosos: los metales ferrosos se basan en el hierro: el grupo incluye acero y hierro colado. Dichos metales constituyen el grupo  comercial más importante, mas de las tres cuarta parte del peso totales de los metales de todo el mundo.

Metales no ferrosos: los metales no ferrosos incluyen los demás elementos metálicos y sus aleaciones. En casi todos los casos, las aleaciones tienen más importancia comercial que los metales puros. Los metales no ferrosos incluyen los metales puros y aleaciones de aluminio, cobre, oro, magnesio, níquel, plata, estaño, titanio, zinc y otros metales.

Cerámicos

Un cerámico se define como un compuesto que contiene elementos metálicos (o semi metálicos) y no metálicos. Los elementos no metálicos comunes son oxigeno, nitrógeno y carbono. Los productos cerámicos tradicionales, algunos de los cuales se han utilizado durante miles de años, incluyen: arcilla – sílice – alumina – carburo de sílice. Los cerámicos modernos incluyen algunos de los materiales anteriores tales como la alumina, cuyas propiedades se mejoran en varios modos atreves de métodos modernos de procesamiento.

Con fines de procesamiento, los cerámicos se dividen en 1) cerámicos cristalinos y 2) vidrios. Para cada tipo se requiere diferentes métodos de manufactura. Los cerámicos cristalinos se forman de distintos modos a partir de polvos que después se calientan. Los cerámicos vidriosos se mezclan y funden para después formarse en procesos tales como el vidrio soplado tradicional.

Polímeros

Un polímero es un compuesto formado por unidades estructurales repetidas denominadas meros, cuyos átomos comparten electrones que forman moléculas muy grandes. Por lo general, los polímeros consisten en carbonos más uno o más elementos tales como hidrogeno, nitrógeno, oxigeno y cloro. Los polímeros se dividen en tres categorías: 1) polímeros termoplásticos o termo variables, 2) polímeros termoestables o termo fijos, y 3) elastómeros.

Los polímeros termoplásticos pueden sujetarse bajo ciclos múltiples de calentamiento y enfriamiento sin que se altere en forma sustancial la estructura molecular del polímero.

Los polímeros termoestables sufren una trasformación química hacia una estructura rígida después de haberse enfriado a partir de una condición plástica calentada; de ahí el nombre de termoestables.

Compuestos

Los compuestos no constituyen en realidad una categoría separada de materiales; son mezclas de los otros 3 tipos. Un compuesto es un material que consiste en 2 o mas fases que se procesan en separado y luego se unen para lograr propiedades superiores a las de sus constituyentes.

Los compuestos se encuentran en la naturaleza (por ejemplo la madera), y se pueden producir en forma sintética. El tipo sintetizado es de mayor interés aquí, e incluye fibras de vidrio en una matriz de polímero, por ejemplo fibra reforzada de plástico; fibras de polímeros de un tipo de matriz de un segundo polímero, tal como un compuesto epoxico de kevlar; y un cerámico en una matriz metálica, tal como carburo de tungsteno en una sustancia aglutinamente de cobalto para formar una herramienta de corte a base de carburo cementado.

Procesos de manufactura

Los procesos de manufactura se dividen en dos tipos básicos: 1) las operaciones del proceso, y 2) las del ensamblado. Una operación del proceso hace que un material de trabajo pase de un estado de acabado a otro más avanzado que está más cerca del producto final que se desea. Se agrega valor cambiado la geometría, las propiedades o la apariencia del material de inicio. En general, las operaciones del proceso se ejecutan sobre partes discretas del trabajo, pero algunas también son aplicables a artículos ensamblados. Una operación de ensamblado une dos o más componentes a fin de crear una entidad nueva, llamada ensamble, sub ensamble o algún otro término que se refiere al proceso de unión (por ejemplo, un ensamble soldado se denomina soldadura).

Operación de procesamiento

Una operación de procesamiento utiliza energía para modificar la forma, las propiedades físicas o las apariencias de una pieza, a fin de agregar valor al material. Las formas de la energía incluyen la mecánica, térmica, eléctrica y química. La energía se aplica en forma controlada por medio de maquinarias y herramientas. También se requiere de energía humana, pero los trabajadores se emplean por lo general para controlar las maquinas, supervisar las operaciones y cargar y descargar las piezas antes y después de cada ciclo de operación.

Por lo general se requiere más de una operación de procesamiento para transformar el material de inicio a su forma final. Las operaciones se llevan a cabo en las secuencias particular que se requiere para alcanzar la geometría y condición definidas por las especificaciones del diseño.

Se disponen 3 categorías de operaciones de procesamiento: 1) operación de formado, altera la geometría inicial de trabajo por medio de varios métodos. Los procesos comunes de formado incluyen al moldeado, la forja y el maquinado. 2) operaciones de mejoramiento de una propiedad, agregan valor al material con la mejora de sus propiedades físicas sin cambio de la forma, el ejemplo más común es el tratamiento térmico. 3) operaciones de procesamiento de una superficie se ejecutaran para limpiar, tratar, recubrir o depositar material sobre superficie exterior del trabajo.

En el procesamiento de formado la mayor parte de los procesos de formación aplican calor o fuerzas mecánicas o una combinación de ambas para que surtan un efecto en la geometría del material de trabajo. Hay varias maneras de clasificar los procesos de formado. La clasificación que se utiliza a continuación se basa en el estado de la materia inicial, y tiene 4 categorías.

1)      Proceso de moldeado: el material de inicio se calienta lo suficiente para transformarlo a un líquido o a un estado altamente plástico. Casi todos los materiales se `pueden procesar de esta manera. Los metales, vidrios cerámicos y plásticos pueden calentarse a temperaturas suficientemente elevadas para convertirlos en líquido.

2)      Proceso de sintetizado o procesamiento de partículas: el material de inicio son polvos metálicos o cerámicos. Aunque estos dos materiales son muy diferentes, los procesos para darle forma a partir del procesamiento de partículas son muy similares. La técnica común involucra la presión y el sintetizado.

3)      Pro0ceso de deformación: la pieza inicial que se trabaja se conforma por medio de la aplicación de fuerzas que exceden la resistencia del material. Para que el material se forme de este modo, debe ser suficientemente dúctil para evitar que se fracture durante la deformación. Para incrementar su ductilidad, es común que antes de darle forma, el material de trabajo se caliente hasta una temperatura por debajo del punto de fusión.

4)      Proceso de remoción del material: son operaciones que retiran el exceso de material de la pieza de trabajo con que se inicia, de modo que resulta tiene la geometría buscada. Los procesos más importantes de esta categoría son las operaciones d maquinado tal como torneado, perforado y fresado. Estas operaciones de corte se aplican más comúnmente a metales sólidos, y se llevan a cabo con el empleo de herramientas de corte más dura y fuertes que el metal de trabajo.

Proceso de mejoramiento de una propiedad, el segundo tipo principal de procesamiento de una pieza se lleva a cabo opera mejorar las propiedades mecánicas o físicas del material de trabajo. Estos procesos no alteran la forma de la pieza, salvo de manera accidental en algunos casos. Los procesos más importantes de mejoramiento de una propiedad involucran los tratamientos térmicos, que incluyen varios procesos de recocido y templado de metales y vidrios.

Procesamiento de una superficie, las operaciones de procesamiento de una superficie incluyen

1)      Limpieza: incluye proceso tanto químico como mecánicos para retirar de la superficie suciedad, aceite y contaminantes.

2)      Tratamiento d una superficie: incluyen trabajos mecánicos tales como granallados y chorro de arena, así como procesos tales como difusión e implantación de iones.

3)      Procesos de recubrimiento y deposición de una película delgada: aplican una capa de material a la superficie exterior de la pieza que se trabaja.

Operaciones de ensamblado

El segundo tipo básico de operaciones de manufactura en el ensamblado, en el que do o más piezas separadas se unen para formar una entidad nueva. Dichos componentes se conectan ya sea en forma permanente o semi permanente. Los procesos de unión permanente incluyen la soldadura homogénea, soldadura fuerte, soldadura blanda y unión mediante adhesivos. Forman una unión de componentes que no pueden separarse con facilidad. Los métodos de ensamblado mecánico se pueden ilustrar con el ejemplo de tornillos, remaches, y otros sujetadores mecánicos.

Maquinas de producción y herramientas

El empleo extenso de maquinas en la manufactura comenzó con la revolución industrial. Fue en esa época que las maquinas cortadoras se desarrollar y comenzaron  a unirse en forma amplia. Recibían el nombre de maquinas herramienta que eran maquinas impulsadas por energía para operar herramientas de corte que antes se usaban con las manos. Las maquinas herramientas modernas se describen con la misma definición básica, efecto que la energía es eléctrica en lugar que hidráulica o de vapor, y su nivel de precisión y automatización es mucho mejor hoy en día.

Otras maquinas para la producción incluyen prensas para las operaciones de estampado, martillos forjadores, molinos de laminación, maquinas soldadoras y maquinas de inserción. Por lo general, el nombre del equipo antecede al nombre del proceso.

Por lo general, la maquinaria de producción requiere herramientas que se integran en el equipo para el trabajo de la pieza o producción en particular. En muchos casos, el herramental debe diseñarse específicamente para la configuración de la pieza o producto. Cuando se utiliza con propósito de interés general, está diseñada para ser intercambiable. Las herramientas se sujetan a la máquina para cada tipo de producto y se fabrica el volumen de producción.

Sistemas de producción

Consisten en personas, equipos y procedimientos diseñados para combinar materiales y procesos que constituyen las operaciones de manufactura de la compañía. Los sistemas de producción se dividen en dos categorías: 1) instalaciones de producción, se refiere al equipo físico y su arreglo dentro de la fábrica. Y 2) sistema de apoyo a la manufactura, son los procedimientos utilizados por la compañía para administrarla producción y resolver los problemas técnicos y logísticos que se encuentran en la ordenación de los materiales, el movimiento del trabajo por la fabrica, y asegurar que los productos satisfagan estándares de calidad.

Sistema de apoyo a la manufactura

Para operar las instalaciones de manera eficiente, una compañía debe organizarse para diseñar los procesos y equipos, planear y controlar las ordenes de producción, y satisfacer los requerimientos de calidad del producto. Estas funciones se llevan a cabo por medio de sistema de apoyo a la manufactura. Es frecuente que las funciones de apoyo a la manufactura se ejecuten en la empresa por personal organizado en departamentos como:

Ingeniería de manufactura: es responsable de planear los procesos de manufactura, decidir cuales procesos deben utilizarse para fabricar las piezas y ensamblar los productos.

Planeación y control de la producción: es responsable de resolver los problemas de logística de la manufactura; ordenar materiales y comprare piezas, programar la producción y asegurarse de que los departamentos de operación tengan la capacidad para cumplir los programas de producción.

Control de calidad: en el ambiente competitivo actual, producir artículos de alta calidad debe ser la prioridad máxima de cualquier empresa de manufactura. Eso significa diseñar y construir productos que cumplan las especificaciones y llenen o superen las expectativas de los consumidores.

Segunda Unidad 

La unidad estructural de la materia es el átomo, el cual está compuesto de un núcleo, con carga positiva rodeado de electrones con carga negativa, aquí  empieza el estudio de la naturaleza del los materiales pues es desde aquí donde observamos cómo se compone cada uno de estos.

Durante mucho tiempo atrás se ha venido estudiando  los elementos de la materia, es por eso que es muy conocido para nosotros el estudio de la tabla periódica, que es donde se logran clasificar los elementos dependiendo su composición  y especificación, para que haya una composición de un elemento como tal existen diferentes enlaces entre los átomos formando una molécula,  por lo general se encuentran dos tipos de enlaces. 1. Enlaces primarios, asociados por lo general  a la conformación de moléculas, y 2.  En laces secundarios, que se asocian generalmente con la atracción entre moléculas; los enlaces primarios son mucho más fuertes que los enlaces secundarios, Los enlaces primarios incluyen: enlaces iónico, covalente y metálico, hay tres formas de enlaces secundarios: fuerzas dipolares, fuerzas de London y enlace de hidrogeno.

Luego de observar los bloques de construcción de la mayoría de estructuras macroscópicas de la materia, observaremos en si como es la estructura de los materias, en si existen dos estructuras fundamentales: cristalina y no cristalina; una estructura cristalina es aquella en la que los átomos se localizan en posiciones regulares y recurrente en tres dimensiones, esta se puede verse en forma de celda unitaria que es el agrupamiento geométrico básico de los átomos.

Al hablar de estructuras no cristalinas en ejemplo más claro de estas son los gases y los líquidos, un metal pierde su estructura cristalina cuando se funde, varias clases de de materiales tienen formas no cristalina en su estado sólido,  para estos se utiliza el término amorfos, para describirlos, como por ejemplo el vidrio, muchos plásticos y el caucho; al hacer una comparación entre las diferencias entre materiales cristalinos y no cristalinos se observa 1) la ausencia de un orden de largo alcance en la estructura molecular de un material no cristalino, y 2) las diferencias entre las características de la fusión y la expiación térmica.

Especificando en los metales existen tres tipos de estructuras de red 1) cubica centrada en el cuerpo (BCC), cubica centrada en las caras ( FCC), hexagonal de empaquetamiento compacto (HCP); pero como es sabido las estructuras cristalinas no son perfectas, las distintas imperfecciones en los sólidos cristalinos se denominan defectos , que se refiere a las desviaciones en el patrón regular de la estructura de red cristalina, los cuales se catalogan como: defectos puntuales, defectos lineales y defectos superficiales.

Cuando un cristal es sometido a fuerzas mecánicas que se incrementan en forma gradual, su respuestas inicial es deformarse de modo elástico;  esto es un alargamiento de la estructura de red sin que haya cambios en la posición de los átomos de red. Si el valor de las fuerzas que actúan alcanza un valor alto en relación con las fuerzas electroestáticas que mantienen a los átomos en la red,  ocurre un cambio permanente en la forma el cual recibe el nombre de deformación plástica, pues los átomos se han movido en la red de donde se ubicaron previamente. Las dislocaciones tienen un papel importante para  facilitar el desplazamiento en los metales. El maclado es la otra forma en que los cristales se deforman plásticamente, el maclado se define como la deformación plástica en que los átomos en un lado del plano (llamado plano de macla) cambian para formar una imagen de espejo en el otro lado del plano.

Un bloque dado de metal contiene millones de cristales individuales, llamados granos, cada grano tiene su orientación única de red pero en forma colectiva los granos se orientan aleatoriamente dentro del bloque, el tamaño de este grano en el bloque metálico esta determinado, entre otros factores, por el número de sitios de formación de núcleos en el material

Ahora hablaremos de los diferentes materiales de ingeniería, metales, cerámicos y polímeros.

METALES: los átomos de los metales se mantienen unidos por medio de un enlace metálico, lo que significa que sus electrones de valencia puede moverse con libertad relativa, en comparación con los otros tipos de enlace, muchos de los metales son dúctiles (tiene la capacidad de deformarse), lo que es útil para la manufactura), otras propiedades generales de los materiales son: la conductividad térmica y eléctrica elevadas, opacidad y reflectividad.

CERAMICOS: los átomos de los cerámicos se caracterizan por tener enlaces iónicos o covalentes, o ambos. Las propiedades generales que resultan de de estos mecanismos de enlaces son: dureza y rigidez elevadas ( aun en temperaturas elevadas), fragilidad (no son dúctiles), eléctricamente aislantes ( no son conductores), refractarios ( térmicamente resistentes) y químicamente inertes; este tipo de material poseen estructuras ya sea cristalina o no cristalina.

POLIMEROS: una molécula de polímero consiste en muchos meros que forman moléculas muy grandes que se mantienen unidas por medio de enlaces covalentes. Existen tres tipos de polímeros, los polímeros termoplásticos. Los polímeros termoestables (termofijos) y los elastómeros.

La estructura y enlace molecular de los polímeros les da las propiedades: baja densidad, resistividad eléctrica elevada (algunos polímeros se utilizan como aislantes), y baja conductividad térmica, la resistencia y la rigidez de los polímeros varía mucho, alguno son fuertes y rígidos (aunque no igualan a los metales y cerámicos), aunque algunos muestran comportamientos muy elásticos.