Procesos de Fabricación y Moldeo: Tipos, Fases y Aplicaciones en Ingeniería Industrial

Introducción a los Procesos de Fabricación

Fabricación de Productos

El objeto de la fabricación o producción es la obtención de productos o bienes para el consumo. Este proceso está formado por una sucesión de pasos relacionados entre sí por un sistema organizado y coherente que garantiza la consecución del objetivo fijado de forma eficiente, económica y segura. Nos referimos a procesos industriales destinados tanto a la obtención de productos semi-elaborados (materiales que sirven de materia prima para otros procesos, por ejemplo, los laminados metálicos o materiales para realizar recubrimientos superficiales) como a piezas terminadas y los conjuntos formados por estas.

Sistemas Productivos

La fabricación se realiza en el entorno de sistemas productivos de diferentes características que están equipados con un conjunto de elementos interactivos destinados a la obtención del objetivo prefijado. Estos elementos productivos pueden estar agrupados en una única planta (fábrica, factoría) o departamentos de estas o distribuidas en varias plantas.

• Organización de Sistemas Productivos: Todo sistema productivo está formado por una entrada de materias primas, incluyendo energía, y una salida de productos. Entre estos dos extremos existen flujos de materiales que van siendo sometidos a una serie de procesos que los van transformando mediante los elementos que integran el sistema (maquinaria, tipo de almacenamiento y transporte) hasta adquirir las propiedades específicas del diseño.
• Flujo del Proceso: Es habitual clasificar los procesos de fabricación mediante el tipo de flujo que siguen los materiales a lo largo de todo el proceso. Se consideran sistemas productivos continuos, también llamados de proceso; son aquellos en los que la ruta que siguen los materiales a lo largo del sistema es invariable. Se utilizan pocas materias primas y los productos obtenidos son pocos o únicos y se contabilizan en peso (toneladas) o en volumen (m³). Son instalaciones de alto coste regidas, no admiten variaciones en el proceso y muy automatizadas.

Características de sistemas de producción de productos semi-elaborados o comodities, por ejemplo, la industria siderúrgica, el refinamiento de petróleo, la fabricación de cemento, papel, alimentos no elaborados (harina, azúcar, etc.).

Sistemas Productivos Discretos

Son conocidos también como taller y están orientados a la fabricación de una gran variedad de distintos productos ya que se caracterizan por su flexibilidad tanto de la maquinaria como de la organización.

Se organizan por departamentos, por ejemplo, mecanizado, tratamientos térmicos, voltaje, etc. y son procesos difícilmente automatizables.

Los productos se contabilizan en piezas o unidades siendo su número habitualmente bajo. La gran variedad de productos y materia prima utilizados determinan uno de los mayores problemas de estos sistemas, que es la coordinación logística.

Sistemas Combinados

Aunque en la práctica pueden existir sistemas de taller o de proceso continuo puro, la gran mayoría de los sistemas productivos existentes se sitúan entre los dos anteriores.

Por un lado, en un extremo cercano a los continuos, están los sistemas de montaje. Suelen utilizarse en la fabricación de automóviles o electrodomésticos y están basados en cadenas de montaje más o menos automatizados y son sistemas esencialmente rígidos, pero la actual utilización de la informática y la robótica han permitido aumentar su flexibilidad de un modo notable.

Por otra parte, en el extremo más cercano a los procesos de taller se encuentran los sistemas de fabricación por lotes, productos que se fabrican en paquetes de un número limitado de unidades y que pueden ir desde algunas decenas, por ejemplo el sector aeroespacial y el ferroviario hasta algunos cientos en equipos electrónicos y en maquinaria industrial.

Fabricación Flexible

Es la tendencia actual en la fabricación de bienes de consumo y sustituye progresivamente los conceptos previos de planificación de la producción, entendiéndose como tal la fabricación basada en la estimación de cifras de venta a largo plazo y de producción en serie en la acepción que se refiere a la fabricación continua de grandes lotes.

Se trata de abastecer la demanda mediante la fabricación de lotes lo más pequeños posible basados en las ventas realizadas o previsibles en un corto plazo (mensual, semanal, diario). Esto permite ahorros financieros en capital inmovilizado, en materia prima, personal, equipamiento y almacenaje. En estos procesos los equipos controlados por ordenador en CMC y la organización de la fabricación en células flexibles han hecho posible conjugar la flexibilidad con una buena productividad.

Fase, Subfase y Operaciones

La organización de los procesos de fabricación se basa en la subdivisión de este en una secuencia lógica y adecuada a los fines perseguidos. Es habitual utilizar la siguiente secuencia:

• Fase: es un conjunto de transformaciones tecnológicamente afines que se llevan a cabo sobre el producto en la misma máquina, instalación, equipo o puesto de trabajo y a veces en un conjunto de ellos, por ejemplo una fase del proceso podría ser el mecanizado o si se considera una misma máquina las fases de torneado, cilindrado, roscado…
• Subfase: A veces se distinguen dentro de una fase distintas etapas para el caso de una misma máquina, por ejemplo la fase torno podrían ser subfases diferentes a dos distintos posicionados de la pieza o diferentes tipos de operaciones.
• Operación: se denomina así a cada una de las tareas elementales que se pueden llevar a cabo en una máquina o puesto de trabajo que realiza en un proceso determinado. Las operaciones pueden ser productivas cuando producen efectivamente transformaciones o un cilindrado en el torno o no productivas cuando se trata de operaciones necesarias para el proceso pero que no producen modificaciones en los materiales, por ejemplo movimientos o cambios de herramientas, operaciones de almacenaje, preparaciones de las máquinas, etc.

Relación entre el Diseño y la Fabricación

El tiempo que se tarda en resolver el diseño de un producto incide directamente en los costes y en consecuencia en la posición de la empresa frente al mercado. En el diseño de un producto deben tenerse en cuenta tanto las necesidades funcionales de calidad, duración o seguridad, como las económicas de mercado y los métodos y procesos de fabricación que serán necesarios. Están todos relacionados y deben considerarse en conjunto, por ello en la actualidad se pone un fuerte acento en minimizar tiempos y costes de diseño optimizando los recursos disponibles de la manera más eficiente posible y por tanto disminuyendo el tiempo de diseño y los costes. Este diseño es conocido como ingeniería simultánea o concurrente.

Costes de Fabricación

El precio del coste de un producto es el conjunto de gastos en que se incurrirá hasta tenerlo listo para su venta y los diversos aspectos que la integran constituyen la estructura de costes del producto y queda definida por los siguientes conceptos:

• Diseño del producto:
• Requerimientos funcionales
• Demanda del mercado
• Ciclo de vida
• Previsión de futuras modificaciones
• Selección de materiales:
• Propiedades mecánicas y físicas
• Propiedades de fabricación y geométricas
• Fiabilidad del suministro
• Costes de materiales
• Definición del proceso:
• Posibilidades del proceso
• Influencia en las propiedades
• Volumen de producción
• Nivel de automatización
• Tipo de montaje
• Coste final

Tiempo de Fabricación

La fabricación involucra una serie de etapas que consumen un determinado tiempo. El tiempo total para la fabricación de una unidad o producto se denomina tiempo unitario de fabricación.

Para que el precio del producto sea competitivo es prioritario minimizar en lo posible este valor. Podemos distinguir los siguientes componentes:

• Tiempos productivos: llamados también de transformación. Son aquellos durante los cuales los materiales están efectivamente sujetos a procesos de transformación.
• Tiempos improductivos: son tiempos en los que se incurre inevitablemente durante el proceso de fabricación y en ellos no se producen transformaciones de los materiales. Dada su diferente naturaleza consideraremos por separado el tiempo consumido en la preparación de las máquinas y el tiempo de maniobra, este incluye a su vez los tiempos invertidos en la colocación y cambio de piezas y herramientas.
• La suma de tiempos de transformación y maniobra se conoce como tiempo de máquina. Representa el tiempo de residencia de la pieza en la máquina y en las operaciones de mecanizado se le llama tiempo de mecanizado.

Conformación por Moldeo

El moldeo, llamado también fundición o colada, es un proceso de conformación basado en la fusión de los metales. Consiste en una serie de operaciones mediante las cuales se obtiene un hueco o molde de arena, metal o material refractario y que reproduce la forma de la pieza que se desea fabricar y en el cual se vierte o cuela el metal fundido dejándolo enfriar hasta que solidifica completamente.

Como proceso tecnológico su principal ventaja consiste en que con su ayuda se pueden fabricar con facilidad y economía piezas de formas muy complejas como bloques de cilindros, culatas de motores de explosión, carburadores, “bancadas” de máquinas herramientas, etc. que son muy difíciles o imposibles de obtener por otros métodos. Permite además el empleo de metales y aleaciones que no son aptos para el conformado por deformación o por soldadura, como por ejemplo la fundición gris.

Operaciones Fundamentales por Moldeo

Para realizar este conformado son necesarios tres clases de operaciones fundamentales:

1º. Operaciones de fusión: La fusión de metales y aleaciones se realiza en distintos tipos de hornos, cada uno de los cuales es adecuado para cada metal o aleación a temperaturas comprendidas entre ciertos límites mayores de una temperatura mínima para que el metal fundido tenga fluidez y menores de una temperatura máxima para evitar el quemado del metal o la pérdida del mismo por vaporización u oxidación.

2º. Operaciones de moldeo y desmoldeo: Comprende en primer lugar la preparación del molde y también hay que hacer una reproducción de la pieza que se desea fabricar que se llama modelo, después se coloca este modelo en una caja de moldeo, se llena de arena y se apisona fuertemente, se retira el modelo y ya queda el hueco de la pieza a reproducir. En este molde se vierte el metal fundido en una operación llamada colada y una vez enfriado el metal se abre o rompe el molde y se saca la pieza. Esta operación se llama desmoldeo.

3º. Operaciones de acabado: Se procede a limpiar de arena a las piezas y a romper los conductos por donde se ha vertido el metal y que han quedado adheridos a la pieza y ya queda o totalmente terminada o lista para el mecanizado posterior.

Los metales y aleaciones aptas para ser conformados por fundición son hierro, cobre, aluminio, magnesio, zinc, sus aleaciones y aleaciones antifricción. Aunque teóricamente se puede moldear cualquier metal, normalmente sólo se moldean los más adecuados para ser conformados por ese proceso y existan incluso aleaciones concebidas especialmente para ello como casi todas las del cobre.

Moldeo en Arena

Desde tiempos prehistóricos se han usado moldes de arena o minerales. Las operaciones básicas no han cambiado, simplemente se ha agregado maquinaria para hacer las tareas difíciles y, aunque se automatice el equipo, los conceptos básicos no han cambiado.

Además de ser el método más antiguo para hacer piezas fundidas es aun el método más usado.

En este proceso se llama molde a la cavidad que reproduce la forma exterior de la pieza que se va a fundir. Se obtiene generalmente comprimiendo arena sobre el modelo, el cual se retira después, por lo tanto si el molde con el que se obtiene se llena con metal fundido obtenemos una pieza maciza. Si ha de ser hueca, para obtener las cavidades se necesita colocar otras piezas especiales denominadas machos o noyos, que no son más que bloques macizos de arena u otro material cuyo exterior es la forma interior que queremos reproducir.

Placas Modelo

Por lo general constan de un modelo metálico, madera, yeso o plástico montados sobre una placa metálica. Los metálicos tienen la ventaja de ser los más duraderos, de mayor exactitud y suministran superficies más lisas. Son el elemento fundamental del moldeo mecánico.

Cajas de Moldear

Son marcos de madera, aluminio, fundición o acero de formas y dimensiones muy variadas destinadas a contener la arena del molde. Las paredes de estas cajas suelen llevar (sobre todo si son grandes) agujeros y ranuras para facilitar la salida de gases del molde y además aligeran el peso.

Arenas de Moldeo

Las arenas silicoaluminosas denominadas tierras de moldeo son el material que más se emplea para la fabricación de moldes y machos. Están compuestas químicamente por cuarzo, arcilla, cal y feldespato.

Todas las arenas naturales contienen siempre un tanto por ciento de agua variable y que suele ser generalmente inferior al 10%, mas lo ideal es que esté entre el 5% y el 7%. Si es menor la resistencia mecánica de la arena disminuye con peligro de arrastre de trozos del molde y forma inducciones en la pieza fundida. Si el porcentaje es más alto, el volumen de vapor producido dentro del molde aumentará el riesgo de poros y sopladuras.

Métodos de Moldeo

Moldeo a Mano

Como su nombre indica todo son operaciones manuales, requiere personal muy cualificado y sólo es adecuado para obtener un número muy reducido de piezas o cuando las piezas son muy complicadas y no se puede utilizar el moldeo mecánico.

Moldeo Mecánico

En los talleres de fundición de gran producción y producción en serie, para la elaboración de moldes y machos se sustituyen los métodos manuales por los mecánicos con las siguientes ventajas:

• No necesita personal especializado.
• Se puede utilizar de forma más racional al personal más especializado, ya que se le libera de una serie de operaciones auxiliares.
• Posibilita que el operario adquiera con más rapidez la habilidad de elaborar los moldes a máquinas, mientras que el aprendizaje manual es más lento.
• Es posible obtener piezas con espesores muy pequeños.
• Los moldes adquieren una resistencia más alta con lo cual las piezas se quedan mejor terminadas.
• Se facilita la operación de desmoldeo sin deteriorar el molde con el consiguiente ahorro de gastos de reparación, se disminuye el número de piezas defectuosas y se mejora la calidad.

Moldeo en Moldes Metálicos

Los moldes metálicos, también llamados coquillas, sustituyen ventajosamente a los de arena cuando se trata de fabricar grandes series de una misma pieza.

Las coquillas se componen de dos partes principales, una el cuerpo y otra que son los machos o núcleos y que reproducen los huecos o entrantes de las piezas y que pueden ser metálicos o de arena.

El material más utilizado para fabricar el cuerpo del molde es la fundición gris de grano fino.

La duración de las coquillas depende de la clase de material empleado en su fabricación, del material que se moldee y del cuidado que se ponga en su manipulación.

Un molde bien fabricado y bien utilizado suele resistir la fundición de 10.000 a 40.000 piezas sin retoques de importancia.

Las ventajas son:

• Se logra mayor precisión en las cotas de las piezas que en arena.
• Las contracciones lineales son también menores.
• Necesita menos espacio y menos manejo de materiales que en arena.
• Siempre que se desee fabricar series de más de 1.000 piezas resulta más económico que la arena.

Inconvenientes:

• Elevado coste de las coquillas y accesorios.
• Tiempo y coste de la puesta a punto de la fabricación de cada pieza.

Moldeo en Coquilla por Presión

Difiere del moldeo en coquilla por gravedad en que el metal en estado líquido o pastoso se introduce en el hueco del molde bajo presión, esto favorece el rápido llenado del molde y la reproducción fiel de sus más finos detalles. También asegura la eliminación de la porosidad en las secciones macizas de la pieza.

La presión debe ser tanto más elevada cuanto mayor sea la tendencia de la aleación a presentar sopladuras.

Las piezas después de eliminado el bebedero quedan completamente terminadas y no necesitan mecanizado posterior, la estructura del metal es de grano fino y las características mecánicas muy elevadas.

Moldeos Especiales

Moldeo en Cáscara

Consiste en esencia en obtener un molde con una delgada cascara de arena de sílice aglomerada con resinas sintéticas termoestables depositándola sobre una placa modelo metálica calentada a temperatura conveniente.

Este proceso se realiza en máquinas que ejecutan las siguientes operaciones:

1. Calientan la placa modelo a unos 200ºC
2. Pulverizan sobre la placa un agente de desmoldeado a base de siliconas para facilitar el demoldeo.
3. Colocan la placa modelo sobre un dispositivo parcialmente lleno de la mezcla.
4. Se invierte el depósito cayendo la arena sobre la placa modelo y empieza a formarse la cáscara.
5. Se vuelve a girar el depósito con la placa modelo, hasta colocarlo en su posición original con la cual la arena no aglomerada cae otra vez al depósito quedando en contacto con la placa modelo la cáscara.
6. Se lleva la placa con la cáscara pegada a él, a una estufa donde se termina el endurecimiento de la misma, calentándola a una temperatura entre 350 y 450ºC durante 2 minutos.

Moldeo a la Cera Perdida

Se realiza de la siguiente manera:

Se hace un modelo en cera del objeto que se ha de moldear.

Se recubre este modelo con una capa gruesa de yeso y arena de sílice mezclada.

Después de secarse al aire el modelo de cera con su envoltura, se cuece en un horno. La cera entonces se funde y queda el recubrimiento formando el verdadero molde, que reproduce con gran exactitud la superficie exterior del modelo de cera.

se emplea mucho este proceso para la fabricación de piezas pequeñas en serie que se obtienen con excelente acabado superficial y gran precisión, lo que hace innecesario su mecanizado posterior.

Se pueden fabricar fresas y brocas de acero de corte rápido, álabes para turbinas de vapor, de gas y de motores de reacción con aceros inoxidables o aleaciones refractarias; tijeras e instrumental quirúrgico con aceros martensíticos, pequeños imanes permanentes de formas complicadas, piezas de maquinaria textil de máquinas de coser, de armas automáticas, de motores de combustión, herramientas calibradas, matrices de estampación, partes de electrodomésticos, etc.

Las limitaciones de este procedimiento se deben al coste elevado y a la limitación del tamaño de las piezas, que suele ser menor de 500 gr.

La gran mayoría no sobrepasan los 30 gr, pero se han llegado a obtener piezas de hasta 20 kg. Con la habilidad, aún cuando los conductos del sistema de distribución estén perfectamente diseñados, existe la posibilidad de que el metal comience a solidificar antes de haber llenado por completo el molde, sobre todo en sus partes más delgadas.

Para que esto no suceda, la aleación debe tener una colabilidad adecuada, entendiéndose por tal su mayor o menos aptitud para llenar por completo la cavidad del molde.

Será función de la cantidad de calor que puede perder el metal antes de solidificar y en consecuencia de la temperatura de sobrecalentamiento. Depende también de las condiciones de enfriamiento del metal en el molde y de la velocidad de la colada.

Inspección de las Piezas Fundidas

Los métodos más corrientes son:

• Examen visual: se debe realizar inmediatamente después del desmoldeo para evitar gastos de limpieza en piezas con defectos visibles.
• Control de dimensiones: con calibres especiales si la serie es grande o en una mesa de trazado si es pequeña.
• Prueba de sonoridad: se efectúa golpeando con un mazo de madera la pieza colgada de un gancho y por el sonido que emite se sabe si la pieza está rota o no.
• Ensayos no destructivos: se utilizan métodos de partículas magnéticas, líquidos penetrantes, rayos X y ultrasonidos.
• Examen metalográfico: para determinar el tamaño de grano y las microporosidades.
• Ensayos mecánicos: como pueden ser dureza, tracción, flexión, fatiga, etc.
• Análisis químico: para ver si la composición se ha mantenido dentro de los límites deseados.
• Acabado superficial: valorando el mismo con el rugosímetro.

Los Procesos de Manufactura en la Ingeniería Industrial

Ingeniería: Conjunto de conocimientos y técnicas que permiten aplicar el saber científico a la utilización de la materia y de las fuentes de energía.

Ingeniero: (nacido del ingenio (máquina o artificio)) Quien discurre con ingenio las trazas y modos de conseguir o ejecutar una cosa.

Ingenio: Facultad del hombre para discurrir o inventar con prontitud y facilidad.

Concepto de progreso: Es el conjunto de actividades relacionadas y ordenadas con las que se consigue un objetivo determinado.

En la ingeniería industrial el concepto de proceso adquiere gran importancia debido a que la práctica de esta carrera requiere planear, integrar, organizar, dirigir y controlar. Estas actividades nos permiten el logro de objetivos en la profesión. Se debe considerar a los procesos de producción como una herramienta para el diseño y definición de planes, programas y proyectos. El diseño, integración, organización, dirección y control de sistemas. La optimización del trabajo, la evaluación de resultados, el establecimiento de normas de calidad y el aumento y control de la eficiencia.

Concepto de Manufactura

Dos definiciones (RAE)

1. Obra hecha a mano o con el auxilio de máquinas.
2. Lugar donde se fabrica.

Conjunto de actividades organizadas y programadas para la tramitación de materiales, objetos o servicios en artículos o servicios útiles para la sociedad.

El ingeniero observa a la manufactura como un mecanismo para la transformación de materiales en artículos útiles para la sociedad. También es considerada como la estructuración y organización de acciones que permiten a un sistema lograr una tarea determinada.

Clasificación de los Procesos de Manufactura

De manera general, los procesos de manufactura se clasifican en tres grupos:

• Procesos que cambian la forma del material. Dentro de estos:
  • Fundición o moldeo
  • Conformados por deformación en frío o en caliente
  • Metalurgia de polvos
• Procesos que provocan desprendimiento de material:
  • Máquinas de conformado por arranque de viruta
  • Máquinas no convencionales
• Procesos para acabar las superficies:
  • Por desprendimiento de partículas
  • Por pulidos
  • Por recubrimiento

Para que estos procesos nos sean de utilidad se deben considerar los siguientes criterios:

1º. Criterio de la producción con fines de beneficio económico:

• Costos aceptables y competitivos.
• Rentabilidad, ganancias superiores a las que proporciona el banco.
• Calidad, sólo la necesaria (no inversiones que no sean estrictamente necesarias).

2º. Criterio de la producción con fines de la efectividad:

• Proyecto: deben ser diseños funcionales que permitan la manufactura/ fabricación calculada y controlada.
• Materiales: selección de los materiales adecuados y económicamente aceptables.
• Procesos de manufactura: son los sistemas para la transformación de los materiales con la calidad adecuada, considerando las necesidades del cliente de manera eficiente y económica.
• Factor humano: comprende la motivación, el trato, facilidad, adaptación y seguridad.
• Proceso administrativo: planificación, integración, organización, dirección y control.

Efectividad y Eficiencia

La efectividad es la estimación del cumplimiento de objetivos, fines o funciones de un sistema o proceso sin que exista evaluación numérica o estándares predeterminados.

Eficiencia es la relación numérica que existe entre la cantidad lograda por un sistema y la máxima cantidad que dicho sistema puede lograr.

Metrología

Precisión en la Industria

El gran desarrollo industrial en los dos últimos siglos ha sido posible gracias a la gran cantidad de productos fabricados con una calidad y precio aceptable. Se ha abandonado totalmente el proceso artesanal en el cual una persona o muy pocas realizaban un proceso complejo en todos sus aspectos y se ha dado paso a un proceso de fabricación en serie donde un operario fabrica multitud de piezas. Esta forma de producción impuesta por el factor económico ha creado la necesidad del intercambio para que el montaje de un mecanismo complejo pueda realizarse a partir de cualquier conjunto de sus piezas componentes y puedan sustituirse una o varias sin fallos en el conjunto.

La consecución de estos objetivos ha obligado a aumentar el control de la calidad en la fabricación pese al elevado coste económico que supone. Un aspecto de este control es la normalización para homogeneizar criterios de diseño, el empleo de tolerancias para conseguir los correspondientes ajustes, la verificación sistemática de máquinas, piezas y herramientas mediante el empleo de calibres durante el proceso de fabricación. Y por último la composición de los mecanismos y de los instrumentos de medida para con todo ello asegurar que las piezas obtenidas por distintas máquinas son correctas y por tanto intercambiables. Además de conseguir la intercambiabilidad, el desarrollo técnico ha permitido conseguir precisiones más estrechas. Para estos factores resulta primordial el control de las piezas a través de técnicas de medición, lo cual cuando se ha llevado al orden de la milésima del milímetro trae consigo la aplicación de técnicas muy específicas.

En la palabra control se engloba un conjunto amplísimo de operaciones a partir de cuyos resultados se ha de dictaminar sobre la aceptación o rechazo del producto de acuerdo con la calidad exigida.

Un grupo de operaciones de importancia primordial en la fabricación es el control metrotécnico de cuya realización se encarga la metrotecnia, pero así como la metrología es esencialmente la ciencia de la medida en su más amplio sentido, la metrotecnia se ocupa con preferencia de problemas dimensionales orientando su tarea en dos vertientes; una en la que se mide, es decir, mediante instrumentos adecuados se obtiene el valor numérico de las cotas y en la otra mediante comparadores o calibres establece comparaciones con prototipos o sistemas que los representan para comprobar si sus dimensiones están o no en el campo de tolerancias establecido.