resumen del primer capitulo de: PROCESOS DE MANUFACTURA-SCHEY-3ED

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.