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Este documento presenta una introducción a los procesos industriales de manufactura. Resume la historia de la manufactura desde sus inicios hasta la revolución industrial, destacando el desarrollo de la máquina de vapor y la electricidad. Explica que la manufactura ha permitido aumentar la producción y mejorar la calidad de vida, aunque su contribución al PIB ha disminuido en economías desarrolladas debido al crecimiento del sector servicios. Sin embargo, la manufactura sigue siendo fundamental para generar riqueza a través de productos cada vez más comple
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- 1. OPERACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES Introducción a los Procesos Industriales de Manufactura Javier A. Jiménez Cabas jajimenez8_job@hotmail.com
- 2. ¿Qué es la manufactura? La manufactura es una actividad humana que se difunde en todas las fases de nuestra vida. Los productos de la manufactura se encuentran por doquier. Todo lo que vestimos, donde vivimos, en lo que viajamos, incluso la mayor parte de nuestros alimentos, ha pasado a través 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 bienes y artículos a mano o, especialmente por maquinaria, frecuentemente en gran escala y con división del trabajo". Veremos que esta definición no es necesariamente completa, pero podemos utilizarla para entender la función de la manufactura en el desarrollo humano.
- 3. Desarrollos Históricos La historia de la manufactura está marcada por desarrollos graduales, pero los efectos acumulativos han tenido sustanciales consecuencias sociales, las cuales se pueden considerar revolucionarias. Primeros Desarrollos La manufactura se ha practicado durante varios miles de años, comenzando con la producción de artículos de piedra, cerámica y metal. Los romanos (27 a.C. – 476 d.C.) ya tenían fábricas para la producción en masa de artículos de vidrio, y en muchas actividades, incluyendo la minería, la metalurgia, y la industria textil se ha empleado desde hace mucho tiempo el principio de la división del trabajo.
- 4. Desarrollos Históricos Sin embargo, por siglos gran parte de la manufactura permaneció como una actividad esencialmente individual, practicada por artesanos y sus aprendices. El ingenio de generaciones sucesivas de artesanos condujo al desarrollo de muchos procesos y a una gran variedad de productos (tabla 1-1), …
- 5. Desarrollos Históricos Sin embargo, por siglos gran parte de la manufactura permaneció como una actividad esencialmente individual, practicada por artesanos y sus aprendices. El ingenio de generaciones sucesivas de artesanos condujo al desarrollo de muchos procesos y a una gran variedad de productos (tabla 1-1), pero la escala de producción estaba necesariamente limitada por la potencia disponible. La potencia del agua sustituyó a la muscular en la Edad Media, pero sólo hasta el punto permitido por la disponibilidad de agua en movimiento; ello limitó la localización de las industrias y la tasa de crecimiento de la producción industrial.
- 6. Desarrollos Históricos Sin embargo, por siglos gran parte de la manufactura permaneció como una actividad esencialmente individual, practicada por artesanos y sus aprendices. El ingenio de generaciones sucesivas de artesanos condujo al desarrollo de muchos procesos y a una gran variedad de productos (tabla 1-1), pero la escala de producción estaba necesariamente limitada por la potencia disponible. La potencia del agua sustituyó a la muscular en la Edad Media, pero sólo hasta el punto permitido por la disponibilidad de agua en movimiento; ello limitó la localización de las industrias y la tasa de crecimiento de la producción industrial.
- 7. Desarrollos Históricos … pero la escala de producción estaba necesariamente limitada por la potencia disponible. La potencia del agua sustituyó a la muscular en la Edad Media, pero sólo hasta el punto permitido por la disponibilidad de agua en movimiento; ello limitó la localización de las industrias y la tasa de crecimiento de la producción industrial.
- 8. Desarrollos Históricos … pero la escala de producción estaba necesariamente limitada por la potencia disponible. La potencia del agua sustituyó a la muscular en la Edad Media, pero sólo hasta el punto permitido por la disponibilidad de agua en movimiento; ello limitó la localización de las industrias y la tasa de crecimiento de la producción industrial.
- 9. Desarrollos Históricos La Primera Revolución Industrial Al término del siglo XVIII, el desarrollo de la máquina de vapor hizo posible disponer de potencia en grandes cantidades y en muchos lugares. Maquina de Vapor
- 10. Desarrollos Históricos Maquina de Watt
- 11. Desarrollos Históricos Esto agilizó los avances en los procesos de manufactura (tabla 1-1) y facilitó el crecimiento de la producción, proporcionando una abundancia de bienes y, con la mecanización de la agricultura, de productos agrícolas. Como resultado, la sociedad también se transformó. Más tarde, este desarrollo se conoció como la Revolución Industrial, la cual se caracterizó porque la potencia mecánica remplaza a la física del trabajador. Muchas máquinas eran accionadas por bandas a partir de un eje motor común, y el alcance de la mecanización era limitado. Hacia mediados del siglo XIX, algunas funciones del trabajador se remplazaron por máquinas, en las cuales los componentes mecánicos, tales como levas y palancas, estaban ingeniosamente configurados para realizar tareas simples y repetitivas.
- 12. Desarrollos Históricos Esa mecanización, o "automatización dura", eliminó algunos empleos, pero los trabajadores desplazados de esta forma, junto con aquellos que no eran estratégicos para la agricultura, generalmente encontraron trabajos en la creciente área de la manufactura y en sectores de servicios de la economía. A principios del siglo XX, el desarrollo se impulsó aún más por la introducción de la potencia eléctrica: las máquinas ahora podían ser accionadas individualmente, y los controles con base en circuitos eléctricos permitieron un alto grado de complejidad.
- 13. Desarrollos Históricos La Segunda Revolución Industrial A partir de la segunda mitad del siglo XX han tenido lugar desarrollos adicionales. Las computadoras comenzaron a ofrecer una potencia computacional ni siquiera soñada, y los dispositivos electrónicos de estado sólido –desarrollados a partir del transistor– permitieron la fabricación de dispositivos de gran flexibilidad a un costo cada vez menor. A principios de los años setenta la disponibilidad del microchip, con miles de componentes electrónicos abarrotados en una minúscula oblea de silicio, hizo posible desempeñar tareas computacionales, de control, de planeación y de administración a altas velocidades, con frecuencia en tiempo real (es decir, donde el proceso ocurre mientras se controla) y a bajo costo.
- 14. Desarrollos Históricos Las consecuencias han sido de gran alcance en cada faceta de nuestra vida, y parece que aún no hay límites para el desarrollo. Sin embargo, es evidente que las implicaciones sociales de estos cambios serán tan fundamentales como aquellas forjadas por la Revolución Industrial del siglo XIX; actualmente la mayoría de los observadores concuerda en que estamos en medio de la segunda Revolución Industrial. Una característica de ésta es que, además de la posibilidad de remplazar la mayoría del trabajo físico, ahora es posible intensificar y algunas veces incluso sustituir el esfuerzo mental. Algunas consecuencias de este desarrollo ya son evidentes: muchos trabajos peligrosos, físicamente exigentes, o aburridos los realizan máquinas o robots controlados por computadoras; la variedad de los productos se incrementa, la calidad mejora; la productividad, expresada por el rendimiento por trabajo unitario, se eleva; la demanda de recursos naturales disminuye.
- 15. Desarrollos Históricos Una de las características más incisivas del desarrollo es el drástico incremento 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 hacia una sociedad "postindustrial", en la cual la manufactura se debilitará y el sector de servicios generará riqueza con base en el procesamiento de la información. Para explorar la realidad de tales creencias, es necesario considerar la función de la manufactura en la economía.
- 16. Función Económica de la Manufactura Las condiciones precarias ofrecidas por al vida rural impulsaron a la gente a atestarse en las ciudades aun antes de la primera Revolución Industrial. Desde entonces, el crecimiento de la manufactura ha conducido a avances innegables, no sólo al proporcionar una abundancia de posesiones materiales, sino también al crear la base económica para mejoras genuinas en la calidad de vida. No existen medidas universales para expresar la calidad de vida pero, en ausencia de otra mejor, el producto interno bruto (PIB, la suma del valor de todos los bienes y servicios que se producen en una economía nacional) puede tomarse como la tasa del bienestar material.
- 17. Función Económica de la Manufactura Si se analizan los componentes del PIB, es evidente que la riqueza material proviene sólo de dos fuentes sustanciales y básicas: los recursos materiales y el conocimiento y energía que la gente aplica al utilizarlos. La agricultura y la minería son de primera importancia, aunque sólo representan entre 3 y 8% del PIB de las naciones industrialmente desarrolladas. La manufactura reclamó la mayor parte hasta los años cincuenta. Desde entonces, gran parte del crecimiento ha tenido lugar en el sector de servicios, y datos (Fig. 1-1) sugieren que, al menos en las economías altamente desarrolladas, la riqueza material es independiente de la contribución de la manufactura al PIB. Sin embargo, esto es una ilusión.
- 18. Función Económica de la Manufactura Si
- 19. Función Económica de la Manufactura Lo que los números no muestran es que el aumento de la riqueza se basa en un sector manufacturero cada vez más complejo; esto a su vez crea la necesidad de muchas actividades de soporte similarmente complejas, tales como los servicios de investigación, de diseño, y financieros; la distribución, el mantenimiento y el servicio en campo de los productos; incluso en la hotelería y la industria del turismo relacionadas con la manufactura. Con frecuencia se dice que, en la era de la información, el conocimiento es el bien más valioso. Esto es muy cierto, pero también lo es el que el conocimiento mismo puede ser relativamente barato. La riqueza se genera con mayor abundancia produciendo artículos comerciales en que el conocimiento está implícito.
- 20. Función Económica de la Manufactura Ya no existen naciones aisladas, y el comercio internacional ha crecido hasta el punto en que las economías de todos los países están interconectadas. Para que las industrias vitales de manufactura crezcan y sobrevivan, deben ser competitivas a escala global. De esta forma, la manufactura ocupa una posición central en la economía de las naciones y, por supuesto, en la economía del mundo. La competitividad implica la necesidad no sólo de un costo más bajo, sino también de desarrollar y producir productos verdaderamente de clase mundial. Un paso esencial para alcanzar esta meta es la capacitación de técnicos, tecnólogos e ingenieros para las industrias de manufactura.
- 21. La Manufactura como Actividad Técnica Para reconocer los retos enfrentados por técnicos, tecnólogos e ingenieros de manufactura, consideremos algunos ejemplos tomados de la experiencia cotidiana. Ejemplo 1-1: El motor de reacción es una máquina diseñada con el conocimiento de la ingeniería térmica y de fluidos, que emplean todos los modelos por computadora disponibles para la evaluación del diseño y del desempeño. Su manufactura exige también las técnicas más avanzadas, especialmente porque sus componentes se sujetan a condiciones extremas de operación.
- 22. La Manufactura como Actividad Técnica Una máquina turbofan (Fig. 1-2) consiste esencialmente de tres secciones principales.
- 23. La Manufactura como Actividad Técnica 1. Nacelle 2. Fan 3. Low pressure compressor 4. High pressure compressor 5. Combustion chamber 6. High pressure turbine 7. Low pressure turbine 8. Core nozzle 9. Fan nozzle
- 24. La Manufactura como Actividad Técnica Primero, el aire se comprime en las zonas de baja y de alta presión del compresor. Segundo, se introduce combustible en el aire comprimido en la cámara de combustión y se enciende la mezcla combustible-aire. Los gases calientes resultantes se descargan a través de turbinas de alta y baja presión, las cuales extraen energía de los gases para impulsar los rotores de alta y baja presión del compresor. Tercero, una hélice grande en el frente del motor eleva la fuerza de empuje al incrementar la masa de aire desplazado: en un motor turbofan de alta derivación, la razón de desviación es 6: 1 o mayor, lo cual significa que la cantidad de aire que pasa alrededor del motor es seis veces mayor que la que pasa a través de él. Los beneficios adicionales de la hélice incluyen un menor consumo de combustible y una menor intensidad del ruido del motor.
- 25. La Manufactura como Actividad Técnica La eficiencia termodinámica se incrementa con la temperatura de entrada de la turbina, …
- 26. La Manufactura como Actividad Técnica … y el consumo de combustible disminuye al aumentar la relación de compresión (Fig. 1-3a). La compresión eleva la temperatura del aire y, en los motores recientes, los álabes del compresor de la etapa final deben funcionar a muy altas temperaturas (Fig. 1-3b); a través del texto se verá que tuvieron que desarrollarse nuevos materiales y tecnologías para fabricar los álabes del compresor. Una aplicación aún más exigente es la turbina donde las temperaturas de entrada están limitadas por la capacidad térmica de los materiales de los álabes (Fig. 1-4a). Los desarrollos de las superaleaciones permitieron un incremento gradual en la temperatura de operación, pero se dio un salto en el desempeño al enfriar los álabes mediante el paso del aire, del compresor sin quemar, a través de agujeros pequeños practicados en ellos (Fig. 1- 4b).
- 27. La Manufactura como Actividad Técnica …
- 28. La Manufactura como Actividad Técnica De esta forma, además de desarrollar nuevos procesos de manufactura para aleaciones cada vez más difíciles de manufacturar, se debían encontrar técnicas para hacer orificios muy delgados y profundos en materiales muy duros. Aunque pocas personas son especialistas en el motor de reacción, todos reconocen que es un producto de alta tecnología.
- 29. La Manufactura como Actividad Técnica Ejemplo 1-2: Los automóviles se consideraban comúnmente como productos de media o incluso de baja tecnología, y algunos sugerían que su manufactura debería dejarse a economías menos desarrolladas. Ninguna persona informada pensaría así hoy en día. El diseño de automóviles involucra los mismos principios y técnicas avanzadas que el de las aeronaves, y la industria automotriz hizo muchos cambios para satisfacer las nuevas demandas relativas a la seguridad, nivel de contaminación, consumo de gasolina, durabilidad y calidad del producto. Estos cambios han afectado la elección de materiales y técnicas de manufactura.
- 30. La Manufactura como Actividad Técnica Por
- 31. La Manufactura como Actividad Técnica Por ejemplo, las primeras carrocerías de automóviles tenían un marco de acero al cual se unían tableros de madera. Pronto, la madera fue remplazada por el acero que era asegurado a un marco más pesado (un bastidor). La necesidad de reducir peso condujo a la construcción del monocasco; los cuerpos de acero sin marcos, completamente soldados, fueron hechos al bajo carbono, lo que implica que posee propiedades de formado altamente deseables. Como se verá, los esfuerzos adicionales para la reducción de peso y el aumento de la resistencia a la corrosión condujeron a la introducción del acero galvanizado, los aceros de alta resistencia y baja aleación, y las aleaciones de aluminio diseñadas especialmente para aplicaciones automotrices.
- 32. La Manufactura como Actividad Técnica Mucho debió aprenderse acerca del comportamiento de formado de estos materiales, de manera que su capacidad para moldear figuras complejas pudiera predecirse. Los polímeros también han sido usados, primero como epóxicos reforzados con fibra de vidrio y, más recientemente, como partes del cuerpo producidas en masa, colocadas en un marco espacial de acero manejable con maquinado de precisión. El automóvil se ha convertido en un producto mucho más complejo, con varias computadoras a bordo que realiza funciones críticas de control. Actualmente la producción de automóviles tiene todas las características de una industria de alta tecnología.
- 33. La Manufactura como Actividad Técnica Ejemplo 1-3: La bioingeniería ofrece ejemplos en los que la manufactura beneficia directamente a la humanidad. Una de las cirugías ortopédicas realizada con mayor frecuencia es el remplazo de articulaciones de cadera artríticas con implantes quirúrgicos (Fig. 1-5). Se debían encontrar materiales que pudieran implantarse en el cuerpo sin reacciones adversas, y que soportaran la sustancial carga dinámica (de millones de ciclos por año) impuestas por pacientes cada vez más jóvenes y activos. Los materiales para estas aplicaciones demuestran el beneficio de la transferencia de tecnología: varias aleaciones son descendientes directas de las usadas en motores de reacción.
- 34. La Manufactura como Actividad Técnica Ejemplo 1
- 35. La Manufactura como Actividad Técnica La forma de la cabeza esférica es crítica, y se tuvieron que desarrollar técnicas para el maquinado de alta precisión. También se debieron encontrar mejores formas de sujeción de la prótesis en el hueso, ya que las juntas adhesivas con frecuencia fallan después de algunos años de servicio. Una metodología más reciente utiliza la capacidad regenerativa del hueso para establecer el enlace, por tanto se tuvieron que desarrollar procesos de manufactura para proporcionar canales intrincados en la superficie de esa parte, en la cual puede crecer tejido nuevo.
- 36. La Manufactura como Actividad Técnica La microelectrónica, la cual se encuentra en el centro de la segunda Revolución Industrial, tuvo sus orígenes en fenómenos físicos que sólo se podían explotar adaptando las viejas tecnologías de manufactura y creando nuevas para materiales novedosos. Nos familiarizaremos con los avances en los procesos de manufactura que han hecho posible la creación de millones de componentes en una sola oblea de silicio. Como resultado de estos avances, el desempeño se ha incrementado drásticamente mientras que el costo ha disminuido sustancialmente: una combinación sin paralelo.