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Introducción a los Procesos Industriales de Manufactura

Javier A. Jiménez [email protected]

OPERACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES

¿Qué es la manufactura?La manufactura es una actividad humana que se difunde en todas lasfases de nuestra vida. Los productos de la manufactura se encuentranpor doquier. Todo lo que vestimos, donde vivimos, en lo queviajamos, incluso la mayor parte de nuestros alimentos, ha pasado através de algún proceso de manufactura.

La palabra manufactura se deriva del latín (manus = mano, factus =hecho), y en los diccionarios se define como "la fabricación de bienesy artículos a mano o, especialmente por maquinaria, frecuentementeen gran escala y con división del trabajo".

Veremos que esta definición no es necesariamente completa, peropodemos utilizarla para entender la función de la manufactura en eldesarrollo humano.

Desarrollos HistóricosLa historia de la manufactura está marcada por desarrollosgraduales, pero los efectos acumulativos han tenido sustancialesconsecuencias sociales, las cuales se pueden considerarrevolucionarias.

Primeros DesarrollosLa manufactura se ha practicado durante varios miles de años,comenzando con la producción de artículos de piedra, cerámica ymetal.

Los romanos (27 a.C. – 476 d.C.) ya tenían fábricas para la producciónen masa de artículos de vidrio, y en muchas actividades, incluyendola minería, la metalurgia, y la industria textil se ha empleado desdehace mucho tiempo el principio de la división del trabajo.

Desarrollos HistóricosSin embargo, por siglos gran parte de la manufactura permaneciócomo una actividad esencialmente individual, practicada porartesanos y sus aprendices.

El ingenio de generaciones sucesivas de artesanos condujo aldesarrollo de muchos procesos y a una gran variedad de productos(tabla 1-1), …

Desarrollos HistóricosSin embargo, por siglos gran parte de la manufactura permaneciócomo una actividad esencialmente individual, practicada porartesanos y sus aprendices.

El ingenio de generaciones sucesivas de artesanos condujo aldesarrollo de muchos procesos y a una gran variedad de productos(tabla 1-1), pero la escala de producción estaba necesariamentelimitada por la potencia disponible.

La potencia del agua sustituyó a la muscular en la Edad Media, perosólo hasta el punto permitido por la disponibilidad de agua enmovimiento; ello limitó la localización de las industrias y la tasa decrecimiento de la producción industrial.

Desarrollos Históricos… pero la escala de producción estaba necesariamente limitada por lapotencia disponible.

La potencia del agua sustituyó a la muscular en la Edad Media, perosólo hasta el punto permitido por la disponibilidad de agua enmovimiento; ello limitó la localización de las industrias y la tasa decrecimiento de la producción industrial.

Desarrollos HistóricosLa Primera Revolución IndustrialAl término del siglo XVIII, el desarrollo de la máquina de vapor hizoposible disponer de potencia en grandes cantidades y en muchoslugares.

Maquina de Vapor

Desarrollos Históricos

Maquina de Watt

Desarrollos HistóricosEsto agilizó los avances en los procesos de manufactura (tabla 1-1) yfacilitó el crecimiento de la producción, proporcionando unaabundancia de bienes y, con la mecanización de la agricultura, deproductos agrícolas.

Como resultado, la sociedad también se transformó. Más tarde, estedesarrollo se conoció como la Revolución Industrial, la cual secaracterizó porque la potencia mecánica remplaza a la física deltrabajador. Muchas máquinas eran accionadas por bandas a partir deun eje motor común, y el alcance de la mecanización era limitado.

Hacia mediados del siglo XIX, algunas funciones del trabajador seremplazaron por máquinas, en las cuales los componentes mecánicos,tales como levas y palancas, estaban ingeniosamente configuradospara realizar tareas simples y repetitivas.

Desarrollos HistóricosEsa mecanización, o "automatización dura", eliminó algunosempleos, pero los trabajadores desplazados de esta forma, junto conaquellos que no eran estratégicos para la agricultura, generalmenteencontraron trabajos en la creciente área de la manufactura y ensectores de servicios de la economía.

A principios del siglo XX, el desarrollo se impulsó aún más por laintroducción de la potencia eléctrica: las máquinas ahora podían seraccionadas individualmente, y los controles con base en circuitoseléctricos permitieron un alto grado de complejidad.

Desarrollos HistóricosLa Segunda Revolución IndustrialA partir de la segunda mitad del siglo XX han tenido lugardesarrollos adicionales. Las computadoras comenzaron a ofrecer unapotencia computacional ni siquiera soñada, y los dispositivoselectrónicos de estado sólido –desarrollados a partir del transistor–permitieron la fabricación de dispositivos de gran flexibilidad a uncosto cada vez menor.

A principios de los años setenta la disponibilidad del microchip, conmiles de componentes electrónicos abarrotados en una minúsculaoblea de silicio, hizo posible desempeñar tareas computacionales, decontrol, de planeación y de administración a altas velocidades, confrecuencia en tiempo real (es decir, donde el proceso ocurre mientrasse controla) y a bajo costo.

Desarrollos HistóricosLas consecuencias han sido de gran alcance en cada faceta de nuestravida, y parece que aún no hay límites para el desarrollo. Sinembargo, es evidente que las implicaciones sociales de estos cambiosserán tan fundamentales como aquellas forjadas por la RevoluciónIndustrial del siglo XIX; actualmente la mayoría de los observadoresconcuerda en que estamos en medio de la segunda RevoluciónIndustrial.

Una característica de ésta es que, además de la posibilidad deremplazar la mayoría del trabajo físico, ahora es posible intensificary algunas veces incluso sustituir el esfuerzo mental. Algunasconsecuencias de este desarrollo ya son evidentes: muchos trabajospeligrosos, físicamente exigentes, o aburridos los realizan máquinas orobots controlados por computadoras; la variedad de los productosse incrementa, la calidad mejora; la productividad, expresada por elrendimiento por trabajo unitario, se eleva; la demanda de recursosnaturales disminuye.

Desarrollos HistóricosUna de las características más incisivas del desarrollo es el drásticoincremento en nuestra capacidad para reunir y procesar información.En general se acepta que hemos entrado a la Era de la Información.

Existen quienes creen que estamos en el proceso de desarrollo haciauna sociedad "postindustrial", en la cual la manufactura sedebilitará y el sector de servicios generará riqueza con base en elprocesamiento de la información.

Para explorar la realidad de tales creencias, es necesario considerarla función de la manufactura en la economía.

Función Económica de la ManufacturaLas condiciones precarias ofrecidas por al vida rural impulsaron a lagente a atestarse en las ciudades aun antes de la primera RevoluciónIndustrial. Desde entonces, el crecimiento de la manufactura haconducido a avances innegables, no sólo al proporcionar unaabundancia de posesiones materiales, sino también al crear la baseeconómica para mejoras genuinas en la calidad de vida.

No existen medidas universales para expresar la calidad de vidapero, en ausencia de otra mejor, el producto interno bruto (PIB, lasuma del valor de todos los bienes y servicios que se producen enuna economía nacional) puede tomarse como la tasa del bienestarmaterial.

Función Económica de la ManufacturaSi se analizan los componentes del PIB, es evidente que la riquezamaterial proviene sólo de dos fuentes sustanciales y básicas: losrecursos materiales y el conocimiento y energía que la gente aplica alutilizarlos.

La agricultura y la minería son de primera importancia, aunque sólorepresentan entre 3 y 8% del PIB de las naciones industrialmentedesarrolladas. La manufactura reclamó la mayor parte hasta los añoscincuenta.

Desde entonces, gran parte del crecimiento ha tenido lugar en elsector de servicios, y datos (Fig. 1-1) sugieren que, al menos en laseconomías altamente desarrolladas, la riqueza material esindependiente de la contribución de la manufactura al PIB. Sinembargo, esto es una ilusión.

Función Económica de la ManufacturaSi

Función Económica de la ManufacturaLo que los números no muestran es que el aumento de la riqueza sebasa en un sector manufacturero cada vez más complejo; esto a suvez crea la necesidad de muchas actividades de soporte similarmentecomplejas, tales como los servicios de investigación, de diseño, yfinancieros; la distribución, el mantenimiento y el servicio en campode los productos; incluso en la hotelería y la industria del turismorelacionadas con la manufactura.

Con frecuencia se dice que, en la era de la información, elconocimiento es el bien más valioso. Esto es muy cierto, perotambién lo es el que el conocimiento mismo puede ser relativamentebarato. La riqueza se genera con mayor abundancia produciendoartículos comerciales en que el conocimiento está implícito.

Función Económica de la ManufacturaYa no existen naciones aisladas, y el comercio internacional hacrecido hasta el punto en que las economías de todos los países estáninterconectadas. Para que las industrias vitales de manufacturacrezcan y sobrevivan, deben ser competitivas a escala global. De estaforma, la manufactura ocupa una posición central en la economía delas naciones y, por supuesto, en la economía del mundo.

La competitividad implica la necesidad no sólo de un costo másbajo, sino también de desarrollar y producir productosverdaderamente de clase mundial. Un paso esencial para alcanzaresta meta es la capacitación de técnicos, tecnólogos e ingenieros paralas industrias de manufactura.

La Manufactura como Actividad Técnica

Para reconocer los retos enfrentados por técnicos, tecnólogos eingenieros de manufactura, consideremos algunos ejemplos tomadosde la experiencia cotidiana.

Ejemplo 1-1:El motor de reacción es una máquina diseñada con el conocimientode la ingeniería térmica y de fluidos, que emplean todos los modelospor computadora disponibles para la evaluación del diseño y deldesempeño.Su manufactura exige también las técnicas más avanzadas,especialmente porque sus componentes se sujetan a condicionesextremas de operación.


Una máquina turbofan (Fig. 1-2) consiste esencialmente de tressecciones principales.


1. Nacelle2. Fan3. Low pressure compressor4. High pressure compressor5. Combustion chamber6. High pressure turbine7. Low pressure turbine8. Core nozzle9. Fan nozzle


Primero, el aire se comprime en las zonas de baja y de alta presióndel compresor.Segundo, se introduce combustible en el aire comprimido en lacámara de combustión y se enciende la mezcla combustible-aire. Losgases calientes resultantes se descargan a través de turbinas de alta ybaja presión, las cuales extraen energía de los gases para impulsar losrotores de alta y baja presión del compresor.Tercero, una hélice grande en el frente del motor eleva la fuerza deempuje al incrementar la masa de aire desplazado: en un motorturbofan de alta derivación, la razón de desviación es 6: 1 o mayor, locual significa que la cantidad de aire que pasa alrededor del motor esseis veces mayor que la que pasa a través de él. Los beneficiosadicionales de la hélice incluyen un menor consumo de combustibley una menor intensidad del ruido del motor.


La eficiencia termodinámica se incrementa con la temperatura deentrada de la turbina, …


… y el consumo de combustible disminuye al aumentar la relación decompresión (Fig. 1-3a). La compresión eleva la temperatura del airey, en los motores recientes, los álabes del compresor de la etapa finaldeben funcionar a muy altas temperaturas (Fig. 1-3b); a través deltexto se verá que tuvieron que desarrollarse nuevos materiales ytecnologías para fabricar los álabes del compresor.

Una aplicación aún más exigente es la turbina donde lastemperaturas de entrada están limitadas por la capacidad térmica delos materiales de los álabes (Fig. 1-4a). Los desarrollos de lassuperaleaciones permitieron un incremento gradual en latemperatura de operación, pero se dio un salto en el desempeño alenfriar los álabes mediante el paso del aire, del compresor sinquemar, a través de agujeros pequeños practicados en ellos (Fig. 1-4b).


…


De esta forma, además de desarrollar nuevos procesos demanufactura para aleaciones cada vez más difíciles de manufacturar,se debían encontrar técnicas para hacer orificios muy delgados yprofundos en materiales muy duros.

Aunque pocas personas son especialistas en el motor de reacción,todos reconocen que es un producto de alta tecnología.


Ejemplo 1-2:Los automóviles se consideraban comúnmente como productos demedia o incluso de baja tecnología, y algunos sugerían que sumanufactura debería dejarse a economías menos desarrolladas.

Ninguna persona informada pensaría así hoy en día. El diseño deautomóviles involucra los mismos principios y técnicas avanzadasque el de las aeronaves, y la industria automotriz hizo muchoscambios para satisfacer las nuevas demandas relativas a la seguridad,nivel de contaminación, consumo de gasolina, durabilidad y calidaddel producto.

Estos cambios han afectado la elección de materiales y técnicas demanufactura.


Por


Por ejemplo, las primeras carrocerías de automóviles tenían un marcode acero al cual se unían tableros de madera. Pronto, la madera fueremplazada por el acero que era asegurado a un marco más pesado(un bastidor). La necesidad de reducir peso condujo a la construccióndel monocasco; los cuerpos de acero sin marcos, completamentesoldados, fueron hechos al bajo carbono, lo que implica que poseepropiedades de formado altamente deseables.

Como se verá, los esfuerzos adicionales para la reducción de peso y elaumento de la resistencia a la corrosión condujeron a la introduccióndel acero galvanizado, los aceros de alta resistencia y baja aleación, ylas aleaciones de aluminio diseñadas especialmente para aplicacionesautomotrices.


Mucho debió aprenderse acerca del comportamiento de formado deestos materiales, de manera que su capacidad para moldear figurascomplejas pudiera predecirse. Los polímeros también han sidousados, primero como epóxicos reforzados con fibra de vidrio y, másrecientemente, como partes del cuerpo producidas en masa,colocadas en un marco espacial de acero manejable con maquinadode precisión.

El automóvil se ha convertido en un producto mucho más complejo,con varias computadoras a bordo que realiza funciones críticas decontrol.

Actualmente la producción de automóviles tiene todas lascaracterísticas de una industria de alta tecnología.


Ejemplo 1-3:La bioingeniería ofrece ejemplos en los que la manufactura beneficiadirectamente a la humanidad. Una de las cirugías ortopédicasrealizada con mayor frecuencia es el remplazo de articulaciones decadera artríticas con implantes quirúrgicos (Fig. 1-5).

Se debían encontrar materiales que pudieran implantarse en elcuerpo sin reacciones adversas, y que soportaran la sustancial cargadinámica (de millones de ciclos por año) impuestas por pacientescada vez más jóvenes y activos.

Los materiales para estas aplicaciones demuestran el beneficio de latransferencia de tecnología: varias aleaciones son descendientesdirectas de las usadas en motores de reacción.


Ejemplo 1


La forma de la cabeza esférica es crítica, y se tuvieron quedesarrollar técnicas para el maquinado de alta precisión. También sedebieron encontrar mejores formas de sujeción de la prótesis en elhueso, ya que las juntas adhesivas con frecuencia fallan después dealgunos años de servicio.

Una metodología más reciente utiliza la capacidad regenerativa delhueso para establecer el enlace, por tanto se tuvieron que desarrollarprocesos de manufactura para proporcionar canales intrincados en lasuperficie de esa parte, en la cual puede crecer tejido nuevo.


La microelectrónica, la cual se encuentra en el centro de la segundaRevolución Industrial, tuvo sus orígenes en fenómenos físicos quesólo se podían explotar adaptando las viejas tecnologías demanufactura y creando nuevas para materiales novedosos.

Nos familiarizaremos con los avances en los procesos demanufactura que han hecho posible la creación de millones decomponentes en una sola oblea de silicio. Como resultado de estosavances, el desempeño se ha incrementado drásticamente mientrasque el costo ha disminuido sustancialmente: una combinación sinparalelo.

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