INTRODUCCIONY PANORAMADE LA MANUFACTURACONTENIDO DEL CAPTULO

Qu es la manufactura?1.1.1 Definicin de manufactura1.1.2 Las industrias manufactureras y sus productos1.1.3 Capacidad de manufacturaLos materiales en la manufactura1.2.1 Metales1.2.2 Cermicos1.2.3 Polmeros1.2.4 CompuestosProcesos de manufactura1.3.1 Operacionesde procesamiento1.3.2 Operaciones de ensamblado1.3.3 Mquinas de produccin y herramientasSistemas de produccin1.4.1 lnstalaciones de produccin1.4.2 Sistemas de apoyo a la manufacturaOrganizacin del libro

La manufactura es importante en lo tecnolgico, econmico e histrico. La tecnologa sedefine como la aplicacin de la ciencia para proporcionar a la sociedad y a sus miembrosaquellos objetos que necesitan o desean. La tecnologa inflriye de muchas formas ennuestras vidas diarias, directa e indirectamente. Considere la lista de productos de la tabla1-.l.Representan distintastecnologas que ayudan a los miembros de nuestra sociedad avivirmejor. Qu tienen en comn esos productos? Todos son manufacturados. Esas maravillastecnolgicas no estaran disponibles para la sociedad si no pudieran manufacturarse. Lamanufactura es el factor esencial que hace posible a la tecnologa.

En cuanto a la economa, la manufactura es un medio importante con el que unanacin crea bienestar material. En Estados Unidos, las industrias manufactureras generanalrededor de 2oo/o delproducto interno bruto (PIB). Los recursos naturales de un pagcomolas tierras agrcolas, depsitos minerales y reservas petrolferas, tambin crean bienestar.

1.1

1.4

1.5

Captulo 1/lntroduccin y panorama de la manufactura

TABI^ 1.1 productos que representan distintas tecnologas, la mayor parte de los cuales influyen a casi todas las personas.

Artomvil deportivo utilitario (ADU) contrrein en las cuatro ruedas, bolsas deaire, frenos antibloqueo, control de manejoy radioAM-FM con reproductor de discoscompactos

Avin supersnicoBolgrafoCajero automticoCalculadora electrnica porttilCmara digitalCicuito integradoComputadora personal (PC)Disco compacto (CD)Disco de video digital (DVD)Disquete de alta densidad para PC

Escner pticoFoco incandescenteFotocopiadoraHorno de microondasImpresora de inyeccin de tintaJuegos de videoLatas de fcil aperturaLavadora de trastosLavadora y secadoraLentes de contactoMquina de faxMquina para el diagnstico mdico por

medio de imgenes de resonanciamagntica (IRM)

Podadora autopropulsada

Raqueta de tenis de materialescompuestos

Reloj de pulsera de cuarzoReproductor de cintas de videoReproductor de discos compactosReproductor digital de discosRobot industrialSilla de plstico para el jardn, moldeada

en una piezaSistema de seguridad para el hogarTelfono celularTelevisin a colores de pantalla grandeZapatos deportivos

En Estados Unidoq la agricultura, minea e industrias similares generan menos delo/"del PIB. La construccin y las empresas pblicas producen algo ms del5"/". Y el restocorresponde a industrias de servicios; entre las que se incluyen el menudeo, el transporte,la banca, las comunicdciones, la educacin y el gobierno. El sector de los servicios agrupael'l1o/o, aproximadamente, del PIB de Estados Unidos. Tan slo el gobierno de ese pasgenera tanto PIB como el sector de manufactura, pero los servicios gubelnamentales nocrean riqueza. En la economa moderna internacional, una nacin debe poseer una basefuerte de manufactura (o tener recursos naturales significativos) si ha de contar con unaeconoma fuerte y estndares de vida elevados para su pueblo.

Histricamente, por lo general se subestima la importancia de la manufactura en eldesarrollo de la civilizacin. Pero a lo largo de la historia,las culturas humanas que hansido mejores para fabricar objetoshan tenido ms xito.Al elaborar herranientas mejores,tuvieron destrezas y armas mejores. Las mejores destrezas les peimitieron vivir mejor. Conarmas mejores pudieron conquistat a las culturas vecinas en pocas de conflicto. En la'Guerra Civil de Estados Unidos (1861-1865), una de las grandes ventajas del Norte sobreel Sur fue su fortaleza industrial; es decir, su capacidad de manufactura. En la SegundaGuerra Mundial (1939-t945),Estados Unidos super en produccin a Alemania y Japn-ventaja decisiva para triunfar en la guetra. En gran parte,la historia de la civilizacin esla historia de la capacidad de la humanidad para fabricar cosas'

En este captulo de apertura, se consideran temas generales sobre la manufactura.Qu es la manufactura? Cmo se organiza en la industria? Cules son los materialeprocesos y sistemas con los que se logra la produccin?

1.1 QU ES LA MANUFACTURA?La palabra ,nanuactarase deriva de las palabras latinas manus (mano) yactus (hacer);lacombinacin de ambas significa hecho a tn&no.L palabra manufactura tiene varios siglosde antigedad, y "hecho a mano" describe en forma adecuada los mtodos manuales quese utilizaban cuando se acu la expresin.l La mayor parte de la manufactura moderna selleva a cabo por medio de maquinaria automatizada y controlada por computadora quese supervisa manualmente (vase la nota histrica L.1)'

1 Alrededor de 1567 d. C., apareci por primera vezlapalabra manuactata como sustantivo, y hacia 1863 d. C.,qnreci omo verbo.

Seccin l-llQu es la manufactura?

Not histrica I .l Histona de la manufacturaT1

*19* a historia de la manufactura puede dividirse en dospartes: I ) el descubrimiento y la invencin por parte delhombre de los materiales y los procesos para fabricar cosas,y 2) el desarrollo de los sistemas de produccin. Los mate-riales y procesos para hacer objetos preceden a los sistemasen varios milenios. Algunos de dichos procesos

-fundicin,trabajo con martillo (forjar), y rectificado- se remontan a6 000 aos o ms. La fabricacin temprana de implementos yarmas se llev a cabo ms mediante destrezas y oficios, quemediante la manufactura en el sentido actual. Los antiguosromanos tenan lo que podran llamarse "fbricas" paraproducir armas, pergaminos, cermica y vidrio, as comootros productos de esa poca, pero los procedimientos sebasaban por mucho en el trabalo con las manos.

En este momento se examinarn los aspectos de lossistemas de manufactura, y los materiales y procesos sedejarn para la nota histrica L2. La expresin sktmasile manufactura se refiere a las formas de organizar a laspersonas y a los equipos de modo que la produccin se llevea cabo con ms eficiencia. Son varios los sucesos histricosy descubrimientos que tuvieron un efecto grande en eldesarrollo de los sistemas modernos de manufactura.

Es claro que un descubrimiento significativo fue elprincipio de la illvlsln del trabalo, es decir, dividir el traba jototal en tareas, y hacer que los trabajadores individualesse convirtieran en especialistas en hacer solo una. Esteprincipio se habla practicado durante siglos, pero aleconomista Adam Smith (1723-1790) se le ha adjudicado elcrdito por haber sido el primero en explicar su significadoeconmico en su obra La rlqueza de las naclones.

LaRevolucinlndustal (alrededor de l70 a 1830)tuvo en diversos modos un efecto grande sobre laproduccin. Marc el cambio entre una economa basadaen la agricultura y el oficio manual, a otra con base en laindustria y la manufactura. El cambio comenz en Inglaterra,donde se invent una serie de mquinas y la potencia delvapor remplaz a la del agua, a la del viento y a la animal.Esas ventajas dieron a la industria britnica la delanterasobre las de otras naciones, e Inglaterra trat de impedirla exportacin de las tecnologas nuevas. Sin embargo,finalmente la revolucin se extendi a otros pases europeosy a Estados Unidos. Varios inventos de la revolucinindustrial contribuyeron mucho al desarrollo de lamanufactura: l\ la mtqulna de vapor de Watt, una tecnologanueva de generacin de energa para la industria, 2) lassuqulnas henamlenta, que comenzaron con la perforadorade John Wilkinson, alrededor de 1775 (vase la nota histrica22.1)i 3) la hlladora con varlos huslllos, el telar mecnco, yotras para la industria textil, que permitieron incrementossignificativos de la productividad: y 4) el slstema fabrll, formanueva de organizar nmeros grandes de trabajadores de laproduccin con base en la divisin del trabajo.

En tanto Inglaterra lideraba la revolucin industrial,en Estados Unidos surga un concepto importante: lamanufactura de plezas intetcambiables. Se concede gran parte

del crdito por este concepto a Eli whifrey ( l711E25 i"aunque su importancia ha sido reconocida a tras deotros f f . En 1797, Whitney negoci un contrato paraproducir 10000 mosquetes para el gobiemo de EstadcUnidos. En esa poca, la manera de fabricar armas eliaartesanal, fabricar cada pieza por separado para un afina erparticular, y luego a justarlas a mano. Cada mosquete eranico, y el tiempo de fabricacin era considerable. Whitnelcrea que los componentes podan hacerse con la exactitudsuficiente para permitir su ensamblado sin ajustarlas.Despus de varios aos de desarrollo en su fbrica deConnecticut, en l80l viai a Washington para demostrarel principio. Puso los componentes de l0 mosquetes antefuncionarios gubernamentales, entre ellos Thomas Jefferson,y procedi a seleccionar piezas al aza paa ensamblar lasarmas. No se requiri sensibilidad o aiuste especial, y todaslas armas funcionaron a la perfeccin. El secreto detrsde su logro era el conjunto de mquinas, refacciones ymedidores especiales que haba perfeccionado en su fbrica.La manufactura de piezas intercambiables requiri muchosaos de desarrollo antes de convertirse en una realidadprctica, pero revolucion los mtodos de manufactura y esun prerrequisito para la produccin en masa. Debido a quesu origen tuvo lugar en Estados Unidos, la produccin depiezas intercambiables se conoci como el slstema amerlconode manufactura.

De su segunda mitad y hasta al final del siglo xrx sepresenci la expansin de los ferrocarriles, barcos de vapory otras mquinas que crearon la necesidad creciente dehierro y acero. Se crearon mtodos nuevos de produccin'para satisfacer esa demanda (vase la nota histrica. 1). Asimismo, durante ese periodo se inventaron variosproductos de consumo, entre stos: la mquina de coser,la bicicleta y el automvil. A fin de satisfacer la demandamasiva de esos artculos, se requirieron mtodos mseficientes de produccin. Algunos historiadores identificanlos desarrollos durante ese periodo como la SegundaRevoluclnlniustrtal, que se caracteriz en trminos desus efectos sobre los sistemas de manufactura a travsde lo siguiente: I ) produccin en masa, 2) movimiento dela administracin cientfica, 3) lneas de ensamblado, y4) electrificacin de las fbricas.

A finales del siglo xrx, surgi en Estados Unidos elmovimiento dela administracin centficd, en respuestaa la necesidad de planear y controlar las actividades deun nmero en aumento de trabajadores. Los lderes delmovimiento incluan a FrederickW Taylor (185-1915), FrankGilbreth (188-1924) y su esposa Lilian (1878-1972).Laadministracin cientlfica tena varias caractersticas [2]:l\ el estudio de movlmientns, motivado por descubrir elmtodo mejor para ejecutar una tarea dada; 2) eI estuiliode tiempos, para establecer estndares de trabajo paracierta labor; 3) el uso amplio de estndares en la industria;4\ el sistema ile pago a destalo y otros planes similares deincentivos del trabajo; y 5) el uso de conjuntos de datos,

trlllntoduccin y panorama de la manufactura

fabriles.Ilenry ford (1563-1947\ introduio lalnea ile ensamblailo

cn 1913, en su planta de Highland Park 1vase la notan*Oca 4l.l ). La lnea de ensamblado hizo posible laproduccin en masa de productos de consumo compleios.Sus mtodos permitieron a Ford vender un automvilmodelo T un precio tan bajo como $500, lo que hizo queposeer un coche fuera algo factible para un segmento grndede la poblacin estadounidense.

En 1881, se construy en la ciudad de Nueva Yorkla primera planta de generacin de energa elctrica, y'

pronto se utilizaron los motores elctricos como fuentede energa para operar la maquinaria de las fbricas.ste era un sistema que convena ms que las mquinasde vapor para distribuir energla, pues para llevarla a lasmquinas se necesitaban bandas de transmisin. Alrededorde 1920, la electricidad haba sustituido al vapor comola fuente principal de energa de las fbricas de EstadosUnidos. El siglo xx fue la poca en la que hubo msavances tecnolgicos que en todos los siglos pasadosjuntos. Muchos de esos desarrollos dieron origen a laautomatlzacln de la manufactura.

1.1.1 Definicin de manufacturaComo campo de estudio en el contexto moderno, la manufactura se puede definir de dosmaneras: una tecnolgica y la otra econmica. En el sentido tecnolgico, la manufacturaes la aplicacin de procesos fsicos y qumicos para alterar la geometra, propiedades oapariencia de un material de inicio dado para fabricar piezas o productos; la manufacturatambin incluye el ensamble de piezas mltiples para fabricar productos. Los procesospara llevar a cabo la manufactura involucran una combinacin de mquinas, herramientas,nerga y trabajo manual, como se ilustra en'la figura 1.La). Casi siempre, la manufactura seejecuta como una secuencia de operaciones. Cada una de stas lleva al material ms cercadel estado final que se desea.

En el sentido econmico, la manufactura es la transformacin de los materialesen artculos de valor mayor por medio de uno o ms operaciones de procesamiento oensamblado, segn lo ilustra la figura 1.l,b).La clave es que la manufactura agrcga valoral material cambiando su forma o propiedades, o mediante combinar materiales distintostambin alterados. El material se habr hecho ms valioso por medio de las operacionesde manufactura ejecutadas en 1. Cuando el mineral de hierro se convierte en acero se leagregavalor. Si la arena se transforma en vidrio se le aade valor. Cuando el petrleo serefina y se convierte en plstico su valor aumenta. Y cuando el plstico se modela en lageometra compleja de una silla de jardn, se vuelve ms valioso.

Es frecuente que las palabras manufactura y produccin se usen en forma indistinta.El punto de vista dil autor es que la produccin tiene un significado ms aniplio que lamanufactura. Para ilustrar esto, se puede utilizar la expresin "produccin de petrleocrudo", pero la frase "manufactura de petrleo crudo" parece fuera de lugar. Sin embargo,

ffi ffisobrantesy[J ffil desperdiciosPieza

procesada

Piezaprocesada

,i; tryffirz$$$@

b)a')

FICURA 1.1 Dos maneras de definir manufactura: a) como proceso tcnico, y b) como proceso econmico.

Seccin l-llQut es la nanufactura?

cualrdo se emplea en el contexto de productos tales como piezas metli(E o automviles!cualquiera de ambas palabras es aceptable.

1.1.2 Las industrias manufactureras y sus productosLa manufactura es una actividad importante, pero no se lleva a cabo slo por s rniqrnSe ejecuta como una actividad comercial de las compaas que venden productm a lcclientes. El tipo de manufactura que una empresa rcal:za depende de la clase de prcdnctoque fabrica. Esta relacin se va a anahzar primero con el examen de los tipos de industriasmanufactureras, y despus con la identificacin de los productos que generan.

lndustrias manufactureras Laindustriaconsiste enempresasyorganizaciones queproduceno suministran bienes y servicios. Las industrias se clasifican como primarias, secundarias oterciarias. Las ndustrius primarias cultivan y explotan recursos naturales, tales como laagricultura y minera. Las industrias'secundarias toman las salidas de las primarias y lasconvierten en bienes de consumo y capital. En esta categora,la manufactura es la actividadprincipal, pero tambin quedan incluidas las construcciones y la generacin de energa. Lasindustrias terciarias constituyen el sector de servicios de la economa. En la tabla 1..2 sepresenta una lista de industrias especficas de dichas categoras.

Este libro se dedica a las industriassecundarias dela tabla L.2,que incluyen las compaasque se dedican a la manufactura. Sin embargo,la Clasificacin Internacional Estndar deIndustriaq que se emple para compilar la tabla 1.2, incluye varias industrias cuyas tecnologasde produccin no se estudian en este texto; por ejemplo,las bebidaq los productos qumicosy los alimentos procesados. En el librq manufactura significa produccin de hardware, queva desde tuercas y tornillos hasta computadoras digitales y armas. Se incluyen productosplsticos y cermicog pero se excluyen la ropa,las bebidas,los productos qumicog la comiday el software. En la tabla 1.3 se presenta nuestra lista corta de industrias manufactureras

Productos manufacturados Los productos finales fabricados por las industrias que seenlistan en la tabla 1.3 se dividen en dos clases principales: bienes de consumo y bienesde capital. Los hienes de consumo son productos que los consumidores compran en formadirecta, como autos, computadoras personales, televisioneg neumticos y raquetas de teni,entre muchos otros ms. Los bienes de captal son aquellos que adquieren otras compaaspara producir bienes y prestar servicios Algunos ejemplos de bienes de capital incluyenaviones, computadoras grandes, equipo ferroviario, mquinas herramienta y equipo parala construccin.

Primaria Terciaria (servicios)AgriculturaCanterasForestalGanaderaMineraPescaPetrleo

BancaBienes racesComercio al mayoreoComercio al menudeoComunicacionesEducacinEntretenimientoGobiernoHotelInformacin

LegalesReparaciones y

mantenimientoRestaurantesSalud y cuidados

mdicosSegurosServicios financierosTlansporteTirismo

TABLA 1.2 lndustrias especficas de las categoras primaria, secundaria y terciaria.

Aerospacial Maquinaria pesadaAlimentos procesados Materiales paraAparatos de consumo construccinAutomotriz Metales procesadosBebidas Metalurgia bsicaComputadoras Neumticos y cauchoConstruccin PapelEditorial Plsticos (formados)Electrnica Productos qumicosEquipos Refinacin de petrleoFarmacutica TextilesInstalaciones de generacin Vestido

de energa Vidrio, cermicosMadera y muebles

Captulo 1/lntroduccin y panorama de la manufactura

TABTA 13 lndustrias de manufactura cuyos materiales, procesos y sistemas se estudian en este libro'

Industria Productos tpicos Industria Productos tpicos

AerospacialAutomotriz

Metalurgia bsicaComputacinAparatos de consumo

Electrnica

Aviones comerciales Y militaresAutos, camiones. autobuses,

motocicletasHierro, acero, aluminio, cobre, etc.Computadoras grandes y personalesAparatos domsticos grandes Y

pequeosEquipo de audio, televisioneg

reproductoras de video

EquiposMetales procesadosVidrio, cermicos

Maquinaria pesada

Plsticos (formados)Neumticos Y caucho

Maquinaria industrial, equipo ferroviarioPiezas maquinadas, acuacin, herramientasProductos de vidrio, herramientas cermicos'

vajillasMquinas herramientas, construccin de

equiposPlsticos moldeados, extrusiones de plsticoLlantas, suelas de calzado, pelotas de tenis

Adems de los productos finales, otros artculos manufactulados incluyen los mate-

riata, componentes y sarrinistros que, emplean las compaas para fabricar los artculosterrrinados Algunos ejemplos de ellos incluyen la lmina de acero, barras de acero' acua-cin,piezas maquinads, plsticos moldeados y extrusiones, herramientas de corte, troqueles'

moldes y lubricantes. As?, hs industrias manufactulefas son una infraestfuctura complejacon categoras y niveles distintos de proveedores intermedios con quienes el consumidorfinal nunca tratar.

Este libro por lo genetal estudia artculos discretos -piezas individuales

y productos

ensamblados- en tug;f ae aquellos producidos por prccesos continuos' Un estampadometlico es un produ;to discrlto, pero el rollo de metal laminado del que se fabrica escontinuo o semicontinuo. Muchas piezas discretas comienzan como productos continuoso semicontinuos, tales como las exffusiones o el cable elctrico' Secciones grandes delongitudes casi continuas se coltan al tamao que se desea' Una refinera de petrleo es un

ejemplo an mejor del proceso continuo'

Cantidad de produccin'y variedad de productos La cantidad de productos elaboradospor una fbri'satiene una influencia importante en la manera en que estn organizados supersonal, sus instalaciones y sus procedimientos. Las cantidades de produccin anual seclasifican en tres categoras:1) produccinbaia,en el rango de L a 100 unidades por ao;2) producci media:de roo a roooo unidades anuales; y 3) produccin alta, de 10000 avarios millones de unidades. Los lmites de los tres rangos son algo arbitrarias (son a juiciodel autor). En funcin de las clases de productos pueden cambiar su orden de magnitud'

La antidad de produccin se refiere al nmerg de unidades de cierto tipo de productoque se producen en un ao.Algunas plantas producen una variedad de productos distintos,cada uno de los cuales se hace en cantidades bajas o medias. Otras plantas se especializanen la produccin alta de un solo tipo de producto. Es instructivo identificar la variedadde productos como parmetro distintivo de la cantidad de produccin' La variedad deproductos se refiere a los diseos o tipos distintos de productos que se producen en laptanta. Productos diferentes tienen formas y tamaos diferentes; desempean funcionesiistintas; se destinan a mercados distintos; algunos tienen ms componentes que otros; yas sucesivamente. Es posible contar el nmero de tipos distintos de productos fabricadoscada ao. cuando el nmero de tipos de productos de la fbricaes elevado, eso indica unavariedad de productos alta.

Existe una correlacin inversa entre la variedad de productos y la cantidad deproduccin, en trminos de las operaciones de la fbrica. Si la variedad de los productosde una fbrica es elevada, entonces es probable que su cantidad de produccin sea baja;pero si la cantidad de produccin es alta, entonces la variedad de productos ser baja, comose ilustra con la banda diagonal en la figura 1'2'

Aunque se ha identificado la variedad de productos como un parmetro cuantitativo(nmero oL tipos diferentes de productos que hace la planta o la compaa), ste es mucho*"no, exacto que la cantidad de produccin ya que los detalles en que difieren los diseos

Seccin 1.1/Qu es la manufactura?

i 104 1ooCantidad de produccin

FICURA 1.2 Relacin entre lvariedad de productos y la cantidadde produccin en la manufactur deproductos discretos.

no se capturan slo con el nmero de diseos distintos. Las diferencias entre un automYl:ly un acondicionador de aire son mucho mayores que entre este ltimo y una bomba decalor. Y dentro de cada tipo de producto existen diferencias entre modelos especficos

El grado de las diferencias del producto puede ser pequeo o grande, como se manifiestaen la industria automotriz. Cada una de las compaas automotrices de Estados Unidosproduce dos o tres modelos de automvil distintos en la misma planta de ensamblado, aunquelos estilos de la carrocera y otras caractesticas del diseo son virtualmente las mismas Enplantas distintag la compaa construye camiones pesados. Para describir dichas diferenciase h variedad de productoq se utilizan los trminos o'suave" y "dura". La variedad susve deproductos ocurre cuando slo existen diferencias pequeas en la variedad de productos, comoaquellas entre autos fabricados en la misma lnea de produccin. En un producto ensamblado,la variedad de productos se caracteriza por una proporcin elevada de piezas comunes entrelos modelos Lavariedad dura de producfos sucede cuando stos vaan en forma sustancial,yhay pocas piezas en comn, o ninguna. La diferencia entre un automvil y un camin es dura.

1.1.3 Capacidad de manufacturaUna planta de manufactura consiste en un conjunto de procesos y sistemas (y personas,por supuesto) diseados para transformar cierto rango limitado de materiales en pro-ductos de valor incrementado. Esos tres bloques constitutivos

-materiales, procesos

y sistemas- integran la materia de la manufactura moderna. Entre esos factores existeuna interdependencia fuerte. Una compaa manufacturera no puede hacer todo. Slodebe hacer ciertas cosas y hacerlas bien. La capacidad de manufactura se refiere a laslimitaciones tcnicas y fsicas de una empresa de manufactura y cada una de sus plantas.Es posible identificar varias dimensiones de dicha capacidad: L) capacidad tecnolgica deproceso,2) tamao fsico y peso del producto, y 3) capacidad de produccin.

Capacidad tecnolgica de proceso La capacidad tecnolgica de proceso de una planta(o compaa) es el conjunto de procesos de manufactura con que dispone. Ciertas plantasrealizan operaciones de maquinado, otras convierten lingotes de acero en lmina, y unas msconstruyen automviles. Una planta de maquinado no puede laminar acero, y una plantade laminacin no puede fabricar autos. La caracterstica subyacente que distingue a esasplantas son los procesos que pueden ejecutar. La capacidad de procesamiento tecnolgicose relaciona de cerca con el tipo de material. Ciertos procesos de manufactura se ajustana ciertos materiales, mientras que otros se adaptan a unos distintos. Al especializarse endeterminado proceso o grupo de procesos, la planta se especializa en forma simultneaen ciertos tipos de materiales. Las capacidades tecnolgicas de proceso incluyen no slolos procesos fsicos, sino tambin la experiencia que tiene el personal de la planta en dichastecnologas Las compaas deben concentrarse en el diseo y la manufactura de productos queson compatibles con su capacidad tecnolgica de proceso.

oo=oIo.c)EIt(!uoI

Captulo 1/lntroduccin y panorama de la manufactura

Limitaciones fsicas del producto Un segundo aspecto de la capacidad de manufactura loimpone elproductofsiio.rJnaplanta con un conjunto dado de procesos est limitada en lostrminos del tamao y el peso de los productos que pueden alojarse' Los productos grandesy pesados son difciles d mover. Para hacerlo,la planta debe equiparse con gras con lacapacidad de carga requerida. Piezas y productos pequeos que se fabrican en cantidadesgrandes se traslaan por medio de bandas u otros medios. La limitante del tamao y pesoe un producto tambin se extiende a la capacidad fsica del equipo de manufactura. Lasmquinas de produccin tienen tamaos distintos. Las ms grandes deben utilizarse parapro"ru, piezas grandes. El conjunto del equipo de produccin, manejo de materiales,capacidad de almacenamiento y tamao de planta, debe planearse para los productos que

estn dentro de cierto rango de tamao y peso.

Capacidad de produccin Una tercera limitante de la capacidad de una planta demanufactura, es la cantidad de produccin que puede obtenerse en un periodo de tiempodado (por ejemplo, mes o ao). Es comn llamar a dicha limitante de cantidad capacidadde plinta, cipacidad de produccin,y se define como la tasa mxima de produccinq.r ,rrru planta pued e alcanzar en condiciones dadas de operacin' Estas condiciones sefi"r"r, ut ,ti*to de turnos pof semana, horas por turno, niveles de la mano de obradirecta, entre otros. Esos factores repfesentan entradas de la planta' Dadas estas entradas,

cul es la salida que puede generar la empresa?por 1o general,la capacidad de planta se mide en trminos de las unidades producidas,

tales como ias toneladas de acero que produce al ao una fundicin, o el nmero deautomviles producido por una planta de ensamblado final. En estos casos,las produccionesson homogneas. En los casos en que las unidades de produccin no son homogneas, otrosfactores ms apropiados de medicin, son las horas hombre de capacidad productiva en untaller de maquinado que produce piezas varias.

Los materiales, procesos y sistemas sonmanufactura, y las tres amplias reas temticaspanorama de dichos temas.

los bloques constitutivos bsicos de lade este libro. A continuacin se dar un

1.2 LOS MATERIALES EN LA MANUFACTURALa mayor parte de los materiales para ingeniera se clasifican en una de tres categorasbsicas: I) rnetales,2) cermicosy 3) polmeros. Sus caractersticas qumicas son diferentes,sus propiedades mecnicas y fsicas no se parecen y afectan los procesos de manufacturasusceptibles de emplearse para obtener productos de ellos. Adems de las tres categorasbsicas, hay 4) compuestos-mezclas no homogneas de los otros tres tipos fundamentales.La relacin entre los cuatro grupos se ilustra en la figura 1.3. En esta seccin se resa adichos materiales. En los captulos 6 a 9, se estudian con ms detalle los cuatro tipos dematerial.

Los metales que se emplean en la manufactura, por lo general son aleaciones, que estncompuestos i os o ms elementos, con al menos uno en forma metlica. Los metales sedividen en dos grupos bsicos: 1) ferrosos y 2) no ferrosos.

Metales fe6osos l-ns metales ferrosos se basan en el hierro: el grupo incluye acero yhierro colado. Dichos metales constituyen el grupo comercial ms importante, ms de lastres cuartas partes del peso total de los metales de todo el mundo. El hierro puro tiene unuso comercial limitado, pero cuando se mezcla con carbono tiene ms usos y mayor valor

1.2.1 Metales

Compuestosmetal-polmeros

Seccin l2/lc materiales en la manufactura

FICURA 1.3 Diagrama de Venn que musa b6 stipos de materiales bsicos ms los_compr.redoa

Compuestoscermico-polltneros

1.2.2 Cermicos

comercial que cualquier otro metal. Las aleaciones de hierro y carbono forman acero yhierro colado.

El acero se define como una aleacin de hierro-carbono que contiene 0.02"/"-2.IL"/" decarbono. Es la categora ms importante dentro del grupo de metales ferrosos. Es frecuenteque su composicin incluya otros elementos de la aleacin, tales como manganeso, cromo,nquel y molibdeno, para mejorar las propiedades del metal. Las aplicaciones del aceroincluyen Ja construccin (por ejemplo: puenteg vigas tipo I, y clavos), transporte (camiones,rieles y equipo rodante para va frrea),y productos de consumo (automviles y aparatos).

El hierro colado es una aleacin de fierro y carbono (ZYo-4Yo) que se utiliza en elmoldeado (sobre todo en el moldeado en arena verde). El silicio tambin est presente en laaleacin (en cantidades que van de0.57" a 3%),y es frecuente que tambin se agreguen otroselementos para obtener propiedades deseables en el elemento fundido. El hierro colado seencuentra disponible en distintas formas, de las que la ms comn es el hierro colado gris; susaplicaciones incluyen bloques y cabezas para motores de combustin interna'

Metales no ferrosos Los metales no ferrosos incluyen los dems elementos metlicosy sus aleaciones. En casi todos los casos, las aleaciones tienen ms importancia comercialque los metales puros. Los metales no ferrosos incluyen los metales puros y aleaciones dealuminio, cobre, oro, magnesio, nquel, plata, estao, titanio, zinc y otros metales.

Un cermico se define como un compuesto que contiene elementos metlicos (o semime-tlicos) y no metlicos. Los elementos no metlicos comunes son oxgeno, nitrgeno ycarbono. Los cermicos incluyen una variedad de materiales tradicionales y modernos.Los productos cermicos tradicionales, algunos de los cuales se han utilizado durante mi-les de aos, incluyen: arcilla (se dispone de ella en abundancia, consiste en partculas finasde silicatos de aluminio hidratados y otros minerales que se utilizan en la fabricacin deladrillos, baldosas y vajillas); slice (es la base para casi todos los productos de vidrio); yaltmina y carburo de silicn (dos materiales abrasivos que se emplean en el rectificado).Los cermicos modernos incluyen algunos de los materiales anteriores, tales como laalmina,otyas propiedades se mejoran en varios modos a travs de mtodos modernos deprocesamiento. Los ms nuevos incluyen carburos

-los carburos metlicos tales como elcarburo de tungsteno y el de titanio, se emplean mucho como materiales para herramientasde corte-, y los nitruros

-los nitruros metlicos y semimetlicos como el nitruro de titanioy el de boro, se utilizan como heramientas de corte y abrasivos para rectificar.Con fines de procesamiento,los cermicos se dividen en 1) cermicos cristalinos y

2) drios. Para cada tipo se requieren diferentes mtodos de manufactura. Los cermicoscristalinos se forman de distintos modos a partir de polvos que despus se calientan (a unatemperatura inferior del punto de fusin a fin de lograr la unin entre los polvos). Loscermicos vidriados (vidrio, sobre todo) se mezclan y funden para despus formarse enprocesos tales como el vidrio soplado tradicional.

10 Captr-do l/lntroduccin y panorama de la manufactura

1.2.3 PolmeroslJnpolmero es un compuesto formado por unidades estructurales repetidas denominadasnteros,crtyostomos comparten electrones que forman molculas muy grandes.Por lo general,lospolmeros consisten en carbono msuno oms elementostales como hidrgeno,nitrgeno,oxgeno y cloro. Los polmeros se dividen en tres categoras: L) polmeros termoplsticos otermovariables,2) polmeros termoestables o termofijos, y 3) elastmeros.

Los polmeros termoplsticos pueden sujetarse a ciclos mltiples de calentamientoy enfriamiento sin que se altere en forma sustancial la estructura molecular del polmero.Los termoplsticos comunes incluyen polietileno, poliestireno, cloruro de polivinilo y nai-lon. Los polmeros termoestables sufren una transformacin qumica (curado) hacia unaestructura rgida despus de haberse enfriado a partir de una condicin plstica calentada;de ah el nombre de "termoestables". Los miembros de este tipo incluyen los fenoles, re-sinas amino y epxicas. Aunque se emplea el nombre "termoestable", algunos de dichospolmeros se curan por medio de mecanismos distintos del calentamiento. Los elastmerosson polmeros que muestran un comportamiento muy elstico; de ah el nombre de elast-meros. Incluyen el caucho natural, neopreno, silicn y poliuretano.

1.2.4 CompuestosLos compuestos no constituyen en realidad una categora separada de materiales; sonmezclas de los otros tres tipos. Un cornpuesto es un material que consiste en dos o msfases que se procesan por separado y luego se unen para lograr propiedades superiores alas de sus constituyentes. El trminofase se refiere a una masa.homognea de material, talcomo la agregacin de granos de estructura celular idntica y unitaria en un metal slido.La estructura usual de un compuesto consiste en partculas o fibras de una fase mezcladaen una segunda que se llama la matriz.

Los compuestos se encuentran en la naturaleza (por ejemplo, madera), y se puedenproducir en forma sinttica. El tipo sintetizado es de mayor inters aqu, e incluye fibras devidrio en una matriz de polmero, por ejemplo ftbrareforzada de plstico;fibras de polmerode un tipo en una matriz de un segundo polmero, tal como un compuesto epxico de Kevlar;y un cermico en una matiz metlica, tal como carburo de tungsteno en una sustanciaaglutinante de cobalto para formar una herramienta de corte a base de carburo cementado.

Las propiedades de un compuesto dependen de sus componentes, las formas fsicas destos, y la manera en que se combinan para formar el material final. Algunos compuestoscombinan una resistencia elevada con el poco peso, y son apropiadas para aplicarlos en

' componentes aeronuticoq carroceras de automviles, cascos de barcos, raquetas de tenis, ycaas depescar.Otros compuestos sonfuertegduros ycapaces de conservar dichas propiedadesa temperaturas elevadas, por ejemplo, las herramientas cofadoras de carburo cementado.

1.3 PROCESOS DE MANUFACTURALos procesos de manufactura se diden, en dos tipos bsicos: 1) las operaciones delproceso, y 2) las del ensamblado. Una operacin del proceso hace que un material detrabajo pase de un estado de acabado a otro ms avanzado que est ms cerca del productofinal que se desea. Se agrega valor cambiando la geometra, las propiedades o la aparienciadel material de inicio. En general, las operaciones del proceso se ejecutan sobre partesdiscretas del

'trabajo, pero algunas tambin son aplicables a artculos ensamblados. IJnaoperacin de ensamblado une dos o ms componentes a fin.de crear una entidad nueva,

, llamada ensamble, subensamble o algn otro trmino que se refiera al proceso de unin(por ejemplo, un ensamble soldado se denomina sa ldadura).Enla figura L.4 se presenta una

TSeccin I

-3/Procesos de man ufactu ra 11

FICURA 1.4 Clasif icacin de los procesos de manufactura.

clasificacin de procesos de manufactvra.La mayor parte de los procesos de manufacturaque se estudian en este libro se pueden observar en el disco de video digital (DVD) queviene adjunto. A lo largo del texto se dan avisos sobre dichos cortos de video. Algunos delos procesos bsicos que se emplean en la manufactura moderna datan de la antigedad(vase la nota histrica 1.2).

Not histrica I .2 Matunales u prlcesls d,e manufactura

Operacionesde procesamiento Proeesos de mejora

de propiedades

Recubrimiento y procesosde deposicin

Procesos de uninpermanente

FS n tanto que la mayor parte de los desarrollos histricosque constituyen la prctica moderna de la manufactura hantenido lugar slo durante los rlltimos siglos (vase la notahistrica l.l ), varios de los procesos bsicos de fabricacindatan del periodo Neoltico (alrededor de 8000-3000 a. C.).Fue durante ese periodo que se desarrollaron procesos talescomo los siguientes: tallar y trabaiar la maileru, formar amano y cocer vasias de arcilla, tallar y pullr piedra, hilar yteiertextiles, y terla ropa.

La metalurgia y el trabajo de los metales tambincomenzaron en el Neoltico, en Mesopotamia y otras reasalrededor del Mediterrneo. Se extendi hacia regionesde Europa y Asia o se desarroll en ellas de maneraindependiente. El ser humano primitivo encontraba el oro enla naturaleza en forma relativamente pura. Poda mortillarlopara darle forma. Es probable que el cobre sea el primer

metal que se extraa de yacimientos, lo que requerla delfundido como tcnica de procesamiento. El cobre no podaser martillado con facilidad debido a que se endurecla, ensu lugar, se le daba forma por medio de la fundlcln (vasela nota histrica l0.l). Otros metales utilizados duranteeste periodo fueron la plata y el estao. Se descubri quela aleacin de cobre con estao produca un metal msfcil de trabajar que el cobre puro (poda usarse tanto lafundicin como el martillado). Esto anunci el periodoimportante que se conoce como la Edad de Bronce (alrededorde 3500-1500 a. C.).

El hierro tambin fue fundido por primera vez durantela Edad de Bronce. Es posible que los meteoritos hayansido una fuente de ese metal, pero tambin se explotabanyacimientos. Las temperaturas requeridas para reducirel mineral de hierro a metal son significativamente ms

Captulo 1/lntroduccin y panorama de la manufactura

elevadas que aquellas que se requieren para el cobre, loque hace ms difciles las operaciones de los hornos' Porla misma razn, otros mtodos de procesamiento tambineran ms diflciles. Los primeros herreros aprendieronque cuando ciertas clases de hierro (los que contenfancantidades pequeas de carbono) se calentabanlosuficiente y despus se enftlaban por lnmersln, se volvlanmuy duras. Esto permitfa formar un borde muy afiladoy cortante en los cuchillos y armas, pero tambin hacaque el metal fuera quebradizo. Podla incrementarse ladureza con el recalentamiento a una temperatura msbaia, proceso conocido como templnilo' Lo que se hadescrito es, por supuesto, el ttattmlentn tmlco delacero. Las propiedades superiores del acero ocasionaronque sustituyera al bronce en muchas aplicaciones(armamento, agricultura y artefactos mecnicos)' Elperiodo de su utilizacin se denomin posteriormentecomo Elad ileHleno (comenz alrededor de 1000 a C')'No fue hasta mucho despus, bien entrado el siglo xrx;que la demanda de acero creci en forma significativa yse inventaron tcnicas ms modernas para su fabricacin(vase la nota histrica .1).

Los principios de la tecnologfa de las mquinas herra'mienta ocurrieron durante la Revolucin lndustrial' En elperiodo de 1770 a 1850, se crearon mquinas herramientapara la mayorfa de los procesos ile temocln ile matcdolconvencionales, tales como perforar, totneat, rcctlfkar,ftesar,perfllary ceplllor (vase la nota histrica 22'l)'Muchos de los procesos individuales anteceden en siglos alas mquinas herramienta; por eiemplo, perforar y aserrar(madera) datan de tiempos antiguos, y tornear (madera) seremonta a la Poca de Cristo.

Los mtodos de ensamble se empleaban en lasculturas antiguas para hacer barcos, armas, herramientas'implementos agrcolas, maquinaria, carruaies y carretas,

muebles y prendas de ropa. Los procesos incluansuietar con lianas y cuerdas, remachary clavar'y solilar'Aproximadamente en tiempos de Cristo' se desarrollaronla soliladura con fotiay la unln meiliante adhesvos' Eluso extendido de tornillos, remaches y tuercas comosujetadores

-tan comn en el ensamble de hoy-, requiri

la creacin de mquinas herramienta capaces de cortarcon exactitud las formas helicoidales que se requeran (poreiemplo, el torno de Maudsley para cortar tornillos, 1800)'No fue sino hasta alrededor de 1900 que se empezaron adesarrollar los procesos de soldailwa autgena pot fuslncomo tcnicas de ensamble (vase la nota histrica 30' l )'

El caucho natural fue el primer polmero que se us enla manufactura (si se excluye la madera, que es un pollmerocompuesto). El proceso de vukonlzacn' descubierto porCharles Goodyear en 1839, hizo del caucho un materialrltil para la ingenierfa (vase la nota histrica 8'2)' Losdesarrollos posteriores inclulan a los plsticos tales comoel nitrato de celulosa en 1870, la baquelita en 1900' elcloruro de polivinilo en 1927, el polietileno en 1932' y elnailon al final de la dcada de 1930 (vase la nota histrica8.1). Los requerimientos de procesamiento para losplsticos conduieron al desarrollo del molileo por lngecclnicon base en el vaciado en molde, uno de los procesos deiundicin de metales) y otras tcnicas para dar forma a lospolfmeros.

Los productos electrnicos han impuesto demandasinusuales a la manufactura en cuanto a miniaturizacin' Laevolucin de la tecnologa ha ido en direccin de agruparms y ms dispositivos en un rea cada vez ms pequea

-en algunos casos, un milln de transistores en una pieza

.

plana de material semiconductor que slo mide 12 mm (0'50in) por lado. La historia del procesamiento y el montaieelectrnicos se remonta a slo unas cuantas dcadas(vanse las notas histricas 35 1,36.1 y 36'2)'

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1.3.1 Operacionesde procesamientouna operacin de procesamiento utiliza enefga para modificar la forma,las propiedadesfsicast la apariencia de una pieza, a fin de agregar valor al material' Las formas de la energaincluyen la mecnica, trmi, elctrica y qumica. La energa se aplica en forma controladapor edio de maquinaria y herramientas. Tambin se requiele de la energa humana, perolos trabajadores se emplan por lo general para controlar las mquinas, supervisal lasoperaciones y cargar y "r"utgur las piezas antes y despus de cada ciclo de operacin' Enta tigura 1.1a) se ilust.u ur, ,iod"lo general de operacin de procesamiento' El materialalim-enta al proceso, las mquinas y herramientas aplican energa para transformaf elmaterial,yla pieza terminada sale detproceso.La mayora de las operaciones de produccing"t"rur,'"rperdicios o sobrantes, sea como un aspecto natural del proceso (por ejemplo,remocin de material.como en el maquinado) o en forma de piezas defectuosas ocasionales'Un objetivo importante de la manufactufa es reducir el desperdicio en cualquiera de esasformas.

Por lo general se requiere ms de una opelacin de procesamiento para transformar el

material de inicio a su forma final. Las operationes se llevan a cabo en la secuencia particularque se requiere para alcar.v'ar la geornetra y condicin definidas por las especificacionesdel diseo.

FICURA 1.5 Los procesos defundicin y moldeado comienzancon un material de trabajocalentado hasta alcanzar unestado fluido o semifluido. Losprocesos consisten en 1) vaciar elfluido en un molde, y 2) permitirque el fluido se enfre hastasolidificarse, despus de lo cual lapieza slida se retira del molde.

Seccin 13/Proasos de manufactura 13

Se distinguen tres categoras de operaciones de procesamiento:1) operaciones deformado,2) operaciones de mejoramiento de una propiedad,y 3) operaciones de procesa-miento de una superficie. Las operaciones de orrnado alteran la gmtra del materialinicial de trabajo por medio de varios mtodos. Los procesos comunes & fmmado incluyenal moldeado,la forja y el maquinado. Las operaciones de mejoramictto dc uprqidadagregan valor al material con la mejora de sus propiedades fsicas sin camt*r & lia forma.El ejemplo ms comn es el tratamiento trmico. Las operacones dc pwiatode una superficie se ejecutan para limpiar,tratar, recubrir o depositar material soh,e lesuperficie exterior del trabajo. Ejemplos comunes del recubrimiento son el croma& y elpintado. Los procesos de formado se estudian en las partes III a VI, y corresponden a hiuatro categoras principales de los procesos de formado que se muestran en la figura 1-4-Los procesos de mejoramiento de una propiedad y de procesamiento de una superficie seestudian en la parte VII.

Procesos de formado La mayor parte de los procesos de formado aplican calor o fuerzasmecnicas o una combinacin de ambas para que surtan un efecto en la geometra delmaterial de trabajo. Hay varias maneras de clasificar los procesos de formado. La clasificacinque se utiliza en este libro se basa en el estado del material de inicio, y tiene cuatrocategoras: I) procesos de moldeado, en los que el material con que se comienza es unlquido calentado o semifludo que se enfra y solidifica para formar la geometra de lapieza;2) procesos de sinterizado o procesamiento de partlculas,en los que los materialesde inicio son polvos, que se forman y calientan con la geometra deseada; 3) procesos dedeformacin, en los que el material con que se comienza es w slido dctil (metal, porlo comrln) que se deforma pafa cear la piezq'y 4) procesos d.e remocin de maturtal, enlos que el material de inicio es un sIido (dctil o quebradizo), a partir del cual se retiramaterial de modo que la pieza resultante tenga la geometra que se busca.

En la primera categora, el material de inicio se calienta lo suficiente para transfor-marlo a un lquido o a un estado altamente plstico (semifluido). Casi todos los materialesse pueden procesar de esta manera. Los metales, vidrios cermicos y plsticos pueden calen-tarse a temperaturas suficientemente elevadas para convertirlos en lquidos. El material enforma lquida o semifluida se vaca o se le fuerza para que fluya en una cavidad llamadamolde, donde se enfra hasta la solidificacin, con lo que adopta la forma del molde. Lamayora de procesos que operan de esta manera se denominan fundicin o moldeado.Fundicin es el trmino que se emplea para los metales, y moldeado es el nombre comnusado para plsticos. En la figura 1.5 se ilustra esta categora de procesos de formado.

En el procesamiento de partcalas, el material de inicio son polvos metlicos ocermicos.Aunque estos dos materiales son muy diferentes, los procesos para darles formaa partir del procesamiento de partculas son muy similares. La tcnica comn involucra lapresin y el sinterizado, que se ilustran en la figura 1,.6,en las que los polvos primero sefuerzan hacia una cavidad llamada matriz o dado a una gran presin,y despus se calientanpara unir las partculas individuales.

Bebedero y alimentador(se recoan)

Orificiode colada LnBa de

separacin

Molde(de arena)

Pieza fundidaslida

14 Captulo 1/lntroduccin y panorama de la manufactura

FlGURA1.6 Procesamientode partculas 1) el material deinicio es un polvo; el procesousual consiste en 2) presionary 3) sinterizar.

FICURA 1.7 Algunos procesosde deformacin comunes:a) forjado, en los que dosherramentales llamados dadoscomprimen la pieza de trabalo, loque ocasiona que adoptela forma de los dos dados; yb) extrusin, en la que se fuerzaa una palanquilla a fluir a travsde un dado, por lo que adopta laseccin transversal del orificio.

,illlrlll{-l-S piezatrabajada,I}-1dF- duranreet

sinterizado

En losprocesos de deformacin,lapiezainicial que se trabaja se conforma por mediode la aplicacin de fuerzas que exceden la resistencia del material. Para que el material seforme de este modo, debe ser suficientemente dctil para evitar que se fracture durante ladeformacin. Para incrementar su ductilidad (y por otras razones), es comn que antes dedarle forma, el material de trabajo se caliente hasta una temperatura por debajo del puntode fusin. Los procesos de deformacin se asocian de cerca con el trabajo de los metales, eincluyen operaciones tales como elforjado y la extrusin, que se ilustran en la figura 1.7.

Los procesos de remocin de material son operaciones que retiran el exceso dematerial de la pieza de trabajo con que se inicia, de modo que la forma que resulta tienela geometra buscada. Los procesos ms importantes de esta categora son las operacionesde maquinado tales como torneado,perforado y fresado,qtte se muestran en la figura 1.8.Estas operaciones de corte se aplican ms comnmente a metales slidos,y se llevan a cabocon el empleo de herramientas de corte ms duras y fuertes que el metal de trabajo. Otroproceso comn de esta categora es elrectificado. Otros procesos de remocin de materialse conocen como no tradicionales debido a que utilizan lser, haces de electrones, erosinqumica, descargas elctricas o energa electroqumica para retirar el material, en vez deherramientas de corte o rectificado.

Cuando una pieza inicial de trabajo se transforma en una geometra subsecuente, esdeseable minimizar el desperdicio y los desechos. Ciertos procesos de conformacin son mseficientes que otros, en trminos de conservacin del material. Los procesos de remocin demateriales (por ejemplo, el maquinado) tienden a desperdiciar material, tan slo por la formaen que operan. El material que se retira de la forma inicial se desperdicia, al menos en loreferente a la operacin unitaria. Otros procesoq tales como ciertas operaciones de fundiciny moldeado, con frecuencia convierten casi el 100% del material con que se comienza en elproducto final. Los procesos de manufactura que transforman casi todo el material de inicio

Dado

Rebaba(para serrecortada)Dado

Prisin

Pieza Dimetrode abajo inicial Viruta o Dimetro final,

Seccin13/Procesosdemanufactura 15

Rotacin

Rdain /\(pbzade+-abaio) \

Awnce de lalErramienta

Broca

Piezade trabajo

Aguiero

FIGUM f .8 Operaciones comunes de maquinado a\ tomeado, en el que una herramienta de corte de un filo retira metal de una piezade trabajo que gira, a fin de reducir su dimetro; b) taladrado, en la que una broca en rotacin avanza dentro de la pieza de trabajo, con loque crea un agujero redondo; y c) fresado, en la que una pieza de trabajo se hace avanzar por un cortador giratorio con filos mltiples.

en el producto, y no requieren maquinado posterior para alcanzar la geometra definitiva delapieza,se llamanprocesos deformt net&. Otros procesos que requieren de un maquinadomnimo para producir la forma final, reciben el nombre de procesos de forma casi neta.

Procesos de mejoramiento de una propiedad El segundo tipo principal de procesamientode una pieza se lleva a cabo para mejorar las propiedades mecnicas o fsicas del material detrabajo. Estos procesos no alteran la forma de la pieza, salvo de manera accidental en algunos

. casos. Los procesos ms importantes de mejoramiento de una propiedad involucran los tra-. tamientos trrnicos,que incluyenvarios procesos de recocido y templado de metales y vidrios.

El sinterizado de metales y cermicos pulverizados, que se mencion antes, tambin es untratamiento a base de calor que aglutina una pieza de metal pulverizado y comprimido.

, Procesamientode unasuperficie LasoperacionesdeprocesamientodeunasuperficieincluyenI) limpieza,2) tratamientos de una superficie, y 3) procesos de recubrimiento y deposicin deuna pelcula delgada.Lalimpiezarnchtyeprocesos tanto qumicos como mecinicos para retirarde la superficie suciedad, aceite y otros contaminantes. Los tratarnientos de una superficieincluyen trabajos mecnicos tales como granallado y chorro de arena, as como procesos ffsicostales como difusin e implantacin de iones I-os procesos de recubrimimto y dcposicin deuna pelcula delgada aplican una capa de material a la superficie exterior de la pieza que setrabaja. Los procesos comunes de recubrimiento incluyen la galvanoplastia y anodizacindel aluminio,elrccubrimianto orgnrcn (llamado pintado),y elbarnizado de porcelana. Losprocesos de deposicin de pelcula incluyen la deposicin fisica y qumica de vapor (PVD,QVD),a fin de formar recubrimientos de varias sustancias delgadas en extremo.

Se han adaptado varias operaciones severas de procesamiento de superficies parafabricar materiales semiconductores de los circrritos integrados para la microelectrnica.Esos procesos incluyen deposicin qumica de vapor, deposicin fisica de vapor y oxidacin.Se aplican en reas muy localizadas de la superficie de una oblea delgada de silicio (u otro

. material semiconductor) con objeto de crear el circuito microscpico.

13-2 Operaciones de ensambladoEl segundo tipo bsico de operaciones de manufactura es el ensamblado, en el que dos o mspiezas separadas se unen para formar una entidad nueva. Dichos componentes se conectanya sea en forma permanente o semipermanente. Los procesos de unin permanente incluyenla soldadura homognea, soldadura fuerte, soldadura blanda,y unin medante adhesivos.Forman una unin de componentes que no puede separarse con facilidad. Los mtodos deensamblado mecnico existen para sujetar dos (o ms) partes en una pieza que se puede

16 Captuo 1/lntroduccin y panorama de la manufactura

desarmar a conveniencia. El uso de tornillos, remaches y otros sujetadores mechnicos,sonmtodos tradicionales importantes de esta categora. Otras tcnicas de ensamblado mecnicoque forman una conexin pemanente incluyen los renaches,ajustes de presiny aiustes dc*pansin.Enel ensamble de productos electrnicos,se empleanmtodos deuninysujecinespeciales. Algunos de los mtodos son idnticos a los procesos anteriores o adaptaciones destos, por ejemplo, la soldadura blanda. El ensamblado electrnico se relaciona en primerlugar con el ensamble de componentes tales como paquetes de circuitos integrados a tarje-tas de circuitos impresogpara producir los cicuitos complejos que se utilizan en tantos pro-ductos de la actualidad. En la parte VIII se estudian los procesos de unin y ensamblado, yen la IX, las tcnicas de ensamblado especiales para la electrnica.

1.3.3 Mquinas de produccin y herramientasLas operaciones de manufactura se llevan a cabo con el uso de maquinaria y herramienta (ypersonas). El empleo extenso de maquinaria en la manufactura comenz con la RevolucinIndustrial. Fue en esa poca que las mquirias cortadoras de metal se desarrollaron ycomenzaron a utilizarse en forma amplia. Reciban el nombre de mquinas herramientaque eran mquinas impulsadas por energa para operar herramientas de corte que antesse usaban con las. manos. Las mquinas herramienta modernas se describen con la mismadefinicin bsica, excepto que la energa es elctrica en lugar de hidrulica o de vapor, y sunivel de precisin y automatizacin es mucho mayor hoy da. Las mquinas herramientaestn entre las ms verstiles de todas las que se aplican en la produccin. Se empleanno slo para hacer piezas de productos para el consumidor, sino tambin para elaborarcomponentes para otras mquinas de la produccin.Tanto en un sentido histrico como dereproduccin, la mquina herramienta es la madre de toda la maquinaria.

Otras mquinas para laproduccin incluyenpnensaspara las operaciones de estampado,martillos forjadores para forjar, molinos de laminacn para la fabricar lmina metlica,mquinas soldadoraspara soldar,y mtquinas de nsercin para insertar componentes elec-trnicos en tdetas de circuitos impresos. Por lo general, el nombre del equipo antecede alnombre del proceso.

El equipo de produccin puede ser de propsito general o especial. El equipo depropsito general esmsverstil y adaptable a una variedad de trabajos. Se halla disponibleen el comercio para cualquier compaa manufacturera que quiera invertir en 1. El equipode propsito especial por lo general est diseado para producir una pieza o un productoespecfico en cantidades muy grandes. La economa de la produccin en masa justificalas grandes inversiones en maquinaria de propsito especial a fin de alcanzar eficienciaselevadas en ciclos cortos de tiempo. sta no es lainicarazn de ser del equipo de propsitoespecial, pero es la principal. Otrarazn es que el proceso puede ser nico y el equipocomercial no se encuentre disponible. Algunas compaas con requerimientos nicos deproceso desarrollan su propio equipo de propsito especial.

Por lo general,la maquinaria de produccin requiere hetamientas que se integren en elequipo para el trabajo de la pieza o producto en particular. En muchos casos, el herramentaldebe disearse especficamente para la configuracin de la pieza o producto. Cuando se utilizacon equipo de propsito general, est diseada para ser intercambiable. Las herramientasse sujetan a la mquina para cada tipo de producto y se fabrica el volumen de produccin.Al terminar, se cambian las herramientas para el tipo siguiente de producto por trabajar.Cuando se emplean con mquinas de propsito especial, es foecuente que las herramientasestn diseadas como parte integral de la mquina. Debido a que es probable que para laproduccin en masa se empleen mquinas de propsito especial,las herramientas quiz nuncacambien, excepto para reemplazar componentes usados o reparar superficies desgastadas.

El tipo de herramientas depende del tipo de proceso de manufactura. En la tabla 1.4se enlistan ejemplos de herramientas especiales que se emplean en operaciones diversas.Los detalles se dan en los captulos en que se estudian los procesos respectivos.

Seccin l.4/Sistemas de produccin 17

TABLA 1.4 Equipo de produccin y las herramientas que se emplean para varos procesosde manufactura.

Proceso Equipo Herramientas especiales (fonci

18 Captulo'l/lntroduccin y panorama de la manufactura

Trabajador

"82-N-

Departamentos Unidad Mquinasde produccin

l@l l-J-.Gi.-.G.---

L-----Y--------Celda

Estacinde trabajoAJ*LI A

Equipo

--_Y-._-LCelda

\dvFpTrabajadores

FlcuRA 1.9 Tipos distintos de distribucin de planta, a) distribucin de posiciones f iias, b) distribucin por procesos' c) distribucincelular, y d) distribucin por productos'

que stos sean complejos, tales como cpsulas espaciales, aviones prototipo y maquinariaespecial. El equipo de un taller de trabajo es de propsito general y el personal est muycapacitado.

un taller de trabajo debe disearse para tener flexibilidad mxima a fin de poderenfrentar las variaciones amplias que se encuentfen en el producto (variedad dura deproducto). Si el producto es grande y pesado, y por tanto difcil de mover' es comn quepermanezcaen una sola ubicacin durante su fabricacin o ensamble' Los trabajadores y el

"q,ripo de procesamiento van al producto, enYezde moverlo hacia el equipo' Este tipo de

distribucin se conoce como distribucin de posicones fijas, como se ve en la figura 1.9a).En la situacin pura, el producto permanece en un solo sitio durante toda la produccin'Algunos ejempls de tals productos incluyen barcos, aeronaves,locomotoras y maquinariapeJada. fn ta practicu, porio general esos productos se construyen en mdulos grandes, enubicaciones nicas,y "tpoet to. mdulos terminados se renen para el ensamble final pormedio de gras de gran caPacidad.

Con frecuencia, los componentes individuales de esos productos grandes se elaboran

en fbricas en.las que el equipo est situado de acuerdo con su funcin o tipo' Este acomodose denomina distribucin^ p, pror"tot Como se aprecia en la figura 1"'9b), los tornos estnen un departamento, las fresadoras en otro, y as sucesivamente. Las distintas piezas,cada una de las cuales requiere una secuencia distinta de operaciones, se conducen porlos departamentos en el oiden particular que se necesita pala procesarlas, por 1o generalpor loies. La distribucin por procesos es notable por su flexibilidad; puede albergar una

iran variedad de secuen"iu. i" operaciones para configuraciones distintas de las piezas'

Su desventaja es que la maquinari y mtodos para producir una pieza no estn diseadospara alcanzar una eficiencia elevada.

Produccin de cantidad media En el rango de cantidad media (100 a 1'0 000 unidadespor ao), se distinguen dos tipos diferentes de instalaciones, en funcin de la variedad deproductos. Cuand la variedad del producto es dura, el enfoque principal esla produccin

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Seccin 1.4/Sistemas de produccin 19

por lotes, en la que se fabrica un lote de un producto, despus de lo cual el sistema demanufactura se cambia para producir un lote de otro producto, y as sucesivamente. La tasade produccin del equipo es mayor que la de demanda para cualquier tipo de producto,por lo que el mismo equipo puede compartirse para productos mltiples El cambio entrelos lotes de produccin consume tiempo para cambiar las herramientas y preparar lamaquinaria. Ese tiempo de preparacin se pierde para la produccin, y sa es rma desventaja dela manufactura por,lotes. La produccin por lotes se emplea comnmente en situacionesde fabricacin para el inventario, en las que los artculos se manufacturan para resurtir uninventario que ha disminuido por la demanda. Por lo general, el equipo se acomoda conuna distribucin por procesos (vase la figura 1..9b).' Es posible un enfoque alternativo para la produccin de rango medio si la variedaddel producto es suave. En ese caso, podran no ser necesarios los cambios grandes entreun estilo de producto y el siguiente. Es frecuente que sea posible configurar el sistema demanufactura de modo que grupos de productos similares puedan hacerse en el mismo equiposin prdida significativa de tiempo por la preparacin. El procesamiento o ensamblado depiezas o productos diferentes se lleva a cabo en celdas que consisten en varias estacionesde trabajo o mquinas. El trmino manufactara celular se asocia con frecuencia a estetipo de produccin. Cada celda est diseada para producir una variedad limitada deconfiguraciones'de piezas; es decir, la celda se especializa en la produccin de un conjuntodado de partes similares, de acuerdo con los principios de la tecnologa de grupo (vase laseccin 40.1,). La distribucin recibe el nombre de distibucin celular (tambin es mmnel trmino distibucin por tecnologa de grupo), y se ilustra en la figura 1.9c).

Produccin alta El rango alto de cantidad (10 000 a millones de unidades por ao) seconoce como produccin masiva. La situacin se caracteiza por una tasa de demandaelevada para el producto, y el sistema de manufactura est dedicado a la produccin de esesolo artculo. Se observan dos categoras de produccin en masa: la produccin por cantidady la produccin por lnea de flujo. La produccin por cantdad involucra la produccinen masa de partes nicas sobre piezas rlnicas de equipo. Es comn que sean mquinasestndar (tales como prensas de estampado) equipadas con herramientas especiales (porejemplo, troqueles y dispositivos de manejo de materiales), que dedican efectivamente elequipo a la produccin de un tipo de pieza. Las distribuciones tpicas que se emplean en laproduccin por cantidad son por procesos y celular [vase la figura 1.9b) y c)].

La produccin por lnea de flujo incluye piezas mltiples de equipo o estaciones detrabajo situadas en secuencia, y las unidades de trabajo se mueven fsicamente a travs de ellaa fin de que el producto se complete. Las estaciones de trabajo y el equipo esn diseadosespecficamente para que el producto maximice la eficiencia. La distribucin se denominapor producto, y las estaciones de trabajo se acomodan en una lnea larga, como la de lafigura l.9d),o en una serie de segmentos de lnea conectados. Generalmente, el trabajo semueve entre las estaciones por medio de bandas mecanizadas. En cada estacin se terminauna cantidad pequea del trabajo total sobre cada unidad del producto.

El ejemplo ms familiar de produccin en lnea de flujo es la lnea de ensamblado, quese asocia con productos como automviles y aparatos domsticos El caso puro de produccinen lnea de flujo es aquel en que no hay variacin en los productos que se elaboran en la lnea.Cada producto es idntico y la lnea se conoce como lnea de prorccin de modelo nico.A fin de comercializar con xito un producto dado, con frecuencia es benfico introducirvariaciones en las caractersticas y modeloq de modo que los clientes individuales puedanelegir la mercanca exacta que les agrade. Desde un punto de vista de la produccin, lasdiferencias en las caractersticas representan un caso de variedad suave de productos. Eltrmino lnea de produccin de modelos mixtos se aplica a aquellas situaciones en lasque hay variedad suave de productos que se fabrican en la lnea. Un ejemplo de ello es elensamble de los automviles modernos. Los carros que salen de la lnea de montaje tienenvariaciones en las opciones y estilo, que representan modelos diferentes y en muchos casosdiferentes placas para el mismo diseo bsico de vehculo.

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20 Captulo'l/lntroduccin y panorama de la manufactura

1.4.2 Sistemas de apoyo a la manufactura

Para operar las instalaciones de manera eficiente, una compaa debe organizarse para

disear los'procesos y equipos, planear y controlar las rdenes de produccin, y satisfacer

los requerimientos e ta caiia del producto. Estas funciones se llevan a cabo por medio

de sistemas de apoyo a la manufactura, es decir, gente y procedimientos con los que una

compaa artministta sus operaciones de produccin. La mayora de esos sistemas de apoyo

no enan en contacto dirto con el prou"to, p"ro planean y controlan su avance a travsde la fbrica. Es frecuente que las funciones de apoyo a la manufactura se ejecuten en laellpresa por personal or$anizado en departamentos como:

> Ingenera de rnanufactura. El departamento de ingeniera de manufactura es responsa-UtJ Ae planear los pro""ro. de manufactura, decidir cules procesos deben utilizarse';;|u.6,*r lus pira. y ensamblar los productos. Este departamento tambin estinuolu"rado en el diseo y el orden de las mquinas herramienta y otros equipos que

usan los departamentos d operaciones pararealizar el procesamiento y ensamble'

> Planeacin y control dc la produccin. Este departamento es responsable de resolverlos problernas de logsticu " tu manufactura: ordenar materiales y comprar piezas'proiru*ur la producin y asegurarse de que los departamentos de operacin tengan lacapcidad necesaria para cumplir los programas de produccin'

> control d.e catidad. En el ambiente competitivo de hoy, producir artculos de altacalidad debe ser la prioridad mxima de cualquier empresa de manufactura' Eso significa

disear y construir productos que cumplan las especificaciones y llenen o superen las

expectaiivas de los consumidoies. Gran parte del esfuerzo es responsabilidad de este

departamento'

1.5 ORGANIZACIN DEL LIBRO

FIGURA 1.'10 Panoramade los temas princiPales dellibro.

Las tres secciones anteriores proporcionan una vista preliminar y un panorama general del

libro. Los 44 captulos siguientes estn organizados en L1- partes. El diagrama de bloquesde la figura L.1b resume"los temas principales que habrn de cubrirse' Muestra al siste-a e p"rodlccin (representado

"on lrr"u punteada) con la entrada de los materiales de la

irrg"ni"riu en el ladoizquierdo, y la salia de los productos terminados en el derecho'L pate I, titulada "tropiedades de los materiales y atributos del producto", consisteen cuatro captulos que escriben las caractesticas y especificaciones importantes de

Sistemas de Produccin

Sistemas de aPoYoa la manufactura

Procesos de manufactura y operacionesde ensamblado

los materialeg as como de los productos que se fabrican a partir de ellos En la parte II seestudian los cuatro materiales fundamentales de la ingeniera: metaleq semigss, polmerosy compuestos.

El bloque ms grande de la figura 1.10 se identifica como "Procesos de manufactura yoperaciones de ensamblado". Los procesos incluidos en el libro son aquellos que aparecenen la figura l.4.Laparte III comienza el estudio de las cuatro categoras de los procesos deperfilado. Consiste de seis captulos acerca de los procesos de solidificacin que incluyen lafundicin de metales, el trabajo del vidrio, y la conformacin de polmeros En la parte fV, seestudia en dos captulos el procesamiento de partculas de metales y cermicos En la parteV se analizan los procesos de deformacin de los metales, tales como el laminado. forjado,extrusin, y el trabajo con lminas metlicas. Por ltimo, en la parte Vl se estufian losprocesos de remocin de materiales. Son cuatro los captulos que se dedican al maquinadoy dos los que cubren el esmerilado o rectificado (y otros procesos abrasivos relacionadm) ylas tecnologas no tradicionales de remocin de materiales.

Los otros tipos de operaciones de procesamiento, mejoramiento de las propiedades yprocesamiento de superficies, se estudian en la parte VII. Sus tres captulos son acercade tratamiento trmico, limpieza y tratamiento de superficieg y recubrimiento y procesc &deposicin.

Losprocesos de unin y ensamblado se consideran en la parteVIII,que est organizadaen cuatro captulos acerca de soldadura homognea, soldadura fuerte, soldadura blandaunin mediante adhesivos y ensamblado mecnico.

En la parte IX, que lleva por ttulo "Tecnologas especiales de procesamiento y ensan-blado", se presentan varios procesos nicos que no se ajustan con exactitud en el esquemade clasificacin de la figura 1.4. Sus cinco captulos cubren la hechura de prototips nprdoqel proceso de circuitos integrados, ensambles y empaques electrnicos, microfabricacin ynanofabricacin.

Los bloques restantes de la figura 1.10 s refieren a los sistemas de produccin. I-aparte X, titulada "Sistemas de manufactura", cubre los sistemas principales de tecnologasy agrupamientos de equipos que se localizan en la fbrica: control numrico, robticaindustrial, tecnologa de grupos, manufactura celular, sistemas flexibles de manufactura,y lneas de produccin. Por ltimo, en la parte XI se estudian los sistemas de apoyo a lamanufactura, tales como ingeniera de manufactura, planeacin y control de la produccin,control de calidad, e inspeccin.

REFERENCIAS

tl] DeGarmo, E. P, Black, J. T., y Kohser,R. A. Materials andProcesses in Manufacturing,ga. ed. John Wiley & Song Inc.,Nueva York,2003.

[2] Emerson, H.P., y Naehring, D. C. E. Origns of IndustrialEngineering. Industrial Engineering & Management press,Institute of Industrial Engineers, Norcross, Ga., 19gg.[3] Flinn, R. A., y Tiojan ,P.K. Engineering Materials and TheirApplications.5a. ed. John Wiley & Sons, Inc., Nueva york,1995.

Garrison, E.A History of Engineertng ondTechnology. CFiCPress, Inc., Boca Raton, Fla., 1991.Groover, M. P. Automatiotr, Production Systems, andComputer Integrated Manutactaring, 2a. ed,., prentice Hall,Upper Saddle River, N.J.,2001.Hounshell, D. A. From the Ameican System to MassProduction, I 800- 1932.'fhe Johns Hopkins University press,Baltimore, Md., 1984.

l4l

tsl

16l

PRECUNTAS DE REPASO1..1. Cules son las diferencias entre las industrias

secundaria y terciaria? Proporcione un ejemplocategora.

1.2. Qu es un bien de capital? Diga un ejemplo.

Cmo se relacionan la variedad de productos y la cantidadde produccin, al comparar fbricas comunes?Defina la capacidad de manufactura.Mencione las tres categoras bsicas de materiales.

primaria,de cada

1.3

1.4.1.5.

22

1.6.

1.7 -

1.8.

Captulo 1/lntroduccin y panorama de la manufactura

En qu difiere un proceso de formado de una operacin deprocesamiento de una superficie?Cules son las dos subclases de procesos de ensamble?Proporcione un ejemFlo de proceso de cada subclase.Defina produccin por lotes y describa por qu se utiliza confrecuencia para producir artculos en cantidades medias.

1.9. En las instalaciones de produccin, cul es la diferenciaentre una distribucin por procesos y otra por producto?

1.10. Mencione dos departamentos que sean comnmenteclasificados como de apoyo a la manufactura.

CUESTIONARIO DE OPCIN VILTIPLEEn las siguientes Preguntas de opcin mltiple hay un total de 18 respuestas correctas (algunas preguntas tienen varias respuestascorrectas). Para obtener una calificacin perfecta hay que dar todas las respuestas correctas del cuestionario. Cada respuesta correctavale un punto For cada respuesta omitida o errnea, la calificacin se reduce en un punto, y cada respuesta adicional que sobrepase elnmero correcto de respuestas reduce la calificacin en un punto. El porcentaje de calificacin se basa en el nmero total de respuestascorrectas

1-1. C\les de las industrias siguientes se clasifican como de in-dustria secundaria? (hay tres respuestas correctas) :a) bebidas,) servicios financieros, c) pesca, d) minera, e) instalacionesde generacin de energia, l) editorial, y g) transporte.En cul de las siguientes industrias se clasifica la minera:a) industria agrcola, b) industria manufacturera, c) industriaprimaria, d) industria secundaria, e) industria de servicios, ofl industria terciaria.Uno de los siguientes artculos incluye los inventos de laRevolucin Industrial: a) automviles, ) can, c) prensade impresin, d) mquina de vapor, o e) espada.A cules de los siguientes metales incluyen los metalesferrosos? (dos respuestas correctas): a) aluminio, ) hierrofundido, c) cobre, d) oro, y e) acero.Cules de los siguientes materiales de ingeniela se definencomo un compuesto que contiene elementos metlicos y nometlicos?: a) cerrmicq D) compuesto, c) metal,o d) polmero.Cul de los procesos siguientes comienza con un materialen estado fluido o semifluido, que se solidifica en unmolde? (dos de estas respuestas son las mejores): a) fun-dido, ) forjado, c) maquinado, d) moldeado, e) prensado,yfl torneado.

I.7 Cules de las siguientes etapas involucra el procesamientode partculas de metales y cermicos? (las dos respuestasmejores): a) uniones mediante adhesivos, ) deformacin,c) fofiado, d) remocin de material, e) fusin,fl prensado, yg) sinterizado.

1.8. Cules de los siguientes incluyen los procesos de deforma-cin? (dos respuestas correctas): a) fundido, b) perforadqc) extruido, d) forjado, e) fresado,fl pintado, y g) sintetizado.

1.9. Cul d las siguientes es una mquina que se usa paraextruir?: a) martillo forjador, b) fresadora, c) laminadora,d) prensa, e) soplete.

1.10. La produccin de volumen elevado de productos ensambla-dos se asocia ms a alguno de los tipos de distribucin siguien-tes: a) celular, ) de posicin fija, c) por procesos, d) porproductos.

1.11.. Cules de las funciones siguientes ejecuta un departamen-to de planeacin y control de la produccin, en cuanto a su pa-pel de apoyar a la manufactura? (las dos respuestas mejores):a) disear y ordenar mquinas herramienta, b) desarrollarplanes corporativos estratgicos, c) ordenar materias y adqui-m piezas, d) efectuar inspecciones de calidad, y e) programarel orden de los productos sobre una mqna.

L.2.

1.3.

1.4.

1.5.

1.6.