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Diseño de productosy selección de procesosen un ambientecompetitivo

1238

Shell

Investment

Hot working

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Diecasting

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Blow

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Filament windingt wind g

40.1 IntroducciónEn vista de la gran variedad de materiales y procesos de manufactura disponibles hoy endía, producir un producto de alta calidad mediante la selección de los mejores materialesy procesos, al tiempo que se minimizan los costos de producción, es un reto importante yuna oportunidad. Con frecuencia, el costo de un producto determina su posibilidad deventa y la aceptación del cliente en el mercado global. Enfrentar este reto no sólo requie-re un conocimiento profundo de las características de los materiales y procesos, sinotambién métodos innovadores y creativos para las tecnologías de diseño, manufactura yensamble de los productos.

Este capítulo comienza con algunas consideraciones importantes sobre el diseñodel producto, que comprende numerosos factores relacionados no sólo con el propiodiseño, sino también con la facilidad de manufactura de ese producto y el tiempo re-querido para fabricarlo. Existen muchas oportunidades para simplificar diseños, reducirel número de componentes en el producto y disminuir el tamaño y las dimensiones delos componentes, particularmente con el fin de ahorrar materiales costosos.

Se analizan la calidad del producto y su expectativa de vida, describiendo los pa-rámetros fundamentales involucrados e incluyendo el concepto de rendimiento de lacalidad. La evaluación del ciclo de vida y la ingeniería del ciclo de vida de los productos,servicios y sistemas son cada vez más importantes, sobre todo en relación con su impactopotencialmente adverso sobre el medio ambiente. El énfasis puesto en la manufacturasustentable busca reducir o eliminar cualquier efecto adverso de la manufactura tantoen el medio como en la sociedad en general, al mismo tiempo que permite a una empresaser rentable.

40.1 Introducción 123840.2 Diseño del producto 123940.3 Calidad del producto y

expectativa de vida 124240.4 Evaluación e ingeniería del

ciclo de vida: manufacturasustentable 1244

40.5 Selección de materialespara productos 1246

40.6 Sustituciónde materiales 1250

40.7 Capacidades de procesosde manufactura 1253

40.8 Selecciónde procesos 1257

40.9 Costos de manufactura yreducción de costos 1261

EJEMPLOS:

40.1 Una aplicación del diseñopara manufactura yensamble 1242

40.2 Manufactura sustentableen la producciónde calzado deportivoNike 1245

40.3 Efecto de la dureza dela pieza de trabajo en eltaladrado 1250

40.4 Cambios de materialesentre los aviones militaresde carga de carga C-5A yC-5B 1252

40.5 Selección de procesospara una parte sencilla1259

40.6 Manufactura de una parte de lámina metálicamediante métodosdiferentes 1260

ESTUDIO DE CASO:

40.1 Ingeniería concurrentepara contenedores de solu-ción intravenosa 1267

Manufacturar productos de alta calidad al menor costo posible requiere entender las re-laciones frecuentemente complejas entre muchos factores. En este capítulo se describenlos factores interrelacionados en el diseño, desarrollo y manufactura de los productos,incluyendo:

• La consideración del ciclo completo de vida de los productos y los efectos en su diseño.

• La importancia de la selección de materiales y procesos en el diseño.

• La importancia económica de las operaciones de manufactura, con una descripciónde los factores más importantes en los costos asociados con un producto.

• Cómo puede ayudar el análisis del valor a optimizar la manufactura y minimizar elcosto del producto.

40C A P Í T U L O

40

En vista de la gran variedad de materiales y procesos de manufactura disponibles hoy endía, producir un producto de alta calidad mediante la selección de los mejores materialesy procesos, al tiempo que se minimizan los costos de producción, es un reto importante yuna oportunidad. Con frecuencia, el costo de un producto determina su posibilidad deuna oportunidad. Con frecuencia, el costo de un producto determina su posibilidad deuna oportunidad. Con frecuencia, el costo de un producto determina su posibilidad deventa y la aceptación del cliente en el mercado global. Enfrentar este reto no sólo requie-re un conocimiento profundo de las características de los materiales y procesos, sinotambién métodos innovadores y creativos para las tecnologías de diseño, manufactura yensamble de los productos.

40.2 Diseño del producto 1239

Tradicionalmente, la selección de materiales para los productos requería muchaexperiencia; sin embargo, ahora existen varias bases de datos y sistemas expertos disponi-bles que facilitan el proceso de selección para satisfacer requerimientos específicos. Deigual manera, al revisar los materiales utilizados en los productos existentes (desde sim-ples herramientas manuales hasta automóviles y aeronaves), se encuentran numerosasoportunidades para la sustitución de materiales con el fin de obtener un mejor desempe-ño y, en particular, de ahorrar costos.

En la fase de producción es imperativo evaluar de manera apropiada las capacidadesde los procesos de manufactura, como una guía fundamental para la selección final de unproceso o serie de procesos apropiados. Como se indica a lo largo de este libro, y depen-diendo del diseño del producto y de los materiales especificados, existe más de un métodopara manufacturar un producto, sus componentes y sus subensambles. Una selección ina-decuada puede tener un efecto importante no sólo en la calidad del producto, sino tambiénen su costo.

Aunque al final de cada capítulo se describe la economía de los procesos individua-les de manufactura, en este capítulo se asume una visión más amplia y se resumen sus im-portantes costos globales. Investigaremos los métodos de reducción de costos, incluyendoel análisis del valor, una poderosa herramienta que se puede utilizar para evaluar el costode cada paso de manufactura, en relación con su contribución al valor del producto.

Hoy, el término clase mundial se utiliza con frecuencia tanto para describir ciertacalidad y nivel de actividades de manufactura como para indicar que los productos tienenque cumplir normas internacionales y ser aceptados en todo el mundo. Hay que recono-cer que ser de clase mundial (como la calidad) no es un objetivo fijo que deba alcanzar unacompañía manufacturera, sino un objetivo móvil, que se eleva a niveles cada vez ma-yores al pasar el tiempo.

40.2 Diseño del producto

A lo largo de los capítulos hemos resaltado los aspectos más importantes del diseño pa-ra la manufactura y el ensamble (DFMA, por sus siglas en inglés), así como el correspon-diente a la manufactura competitiva. En las referencias indicadas en la tabla 40.1 se dandiferentes guías para materiales y manufactura.

Continuamente se realizan importantes avances en diseños para la manufactura yel ensamble, que ahora tienen disponibles paquetes de software. Aunque su uso exigeconsiderable capacitación y conocimiento, estos avances ayudan a los diseñadores a de-sarrollar productos que requieren menos componentes, reducen el tiempo de ensamble yde manufactura, y en consecuencia, el costo total de la producción.

Consideraciones de diseño del producto. Además de los lineamientos de diseñoque hemos proporcionado para procesos individuales de manufactura, existen considera-ciones generales de diseño (ver también Diseño robusto, sección 36.5.1). Con frecuencialos diseñadores deben preguntarse si han abordado consideraciones como:

• ¿Se han investigado plenamente todos los diseños alternativos del producto?

• ¿Se puede simplificar el diseño y minimizar el número de sus componentes sin afec-tar de modo adverso las funciones y el desempeño para el que se destina?

• ¿Se pueden eliminar características innecesarias del producto o de alguno de suscomponentes, o combinarse con otras peculiaridades?

• ¿Se encuentran disponibles comercialmente algunos de los componentes?

• ¿Se han considerado los conceptos de diseño modular y de bloques de construcciónpara una familia de productos similares a fin de dar servicio, reparar, actualizar einstalar opciones?

• ¿Se pueden reducir el tamaño y el peso del diseño?

1240 Capítulo 40 Diseño de productos y selección de procesos en un ambiente competitivo

TABLA 40.1

Referencias a diferentes temas en este libro

Consideraciones de diseño en el procesamientoFundición metálica Sección 12.2Forja Sección 14.6Formado de lámina metálica Sección 16.13Metalurgia de polvos Sección 17.6Formado de materiales cerámicos Sección 18.5Procesamiento de polímeros Sección 19.15Maquinado Diferentes secciones en los capítulos 23 y 24Procesos abrasivos Sección 26.5Maquinado avanzado Diferentes secciones en el capítulo 27Procesos de unión Diferentes secciones en los capítulos 30 a 32

Propiedades de los materiales Tabla 18.1Tablas 2.1, 2.2, 2.3, y figuras 2.4, 2.6, 2.8, 2.14, 2.15, 2.16, y 2.28 Tablas 19.1 y 19.2Tablas 3.1, 3.2, 3.3, y figuras 3.1 y 3.2 Tabla 20.1Tablas 5.2, 5.4 y 5.6 Tablas 23.1, 23.6, 23.8, y 23.10Tablas 6.2 a 6.10 Tablas 26.3 y 26.4Tablas 7.1 a 7.3 Tabla 27.1Tablas 8.2 y 8.3 Tablas 28.1 y 28.2Tabla 9.2 y figuras 9.3, 9.5, y 9.7 Tabla 29.1Tabla 10.1 Tabla VI.1Tablas 12.3, 12.4, y 12.5, y figura 12.4 Tabla 30.1Tablas 16.3 y 16.4 Tabla 32.4Tablas 17.3, 17.4, 17.5, y figura 17.10 Tabla 34.1Tabla 20.2 Tablas 40.2 y 40.3Tablas 22.1, 22.2, 22.5 y figuras 22.1 y 22.9Tabla 26.1 Tolerancias dimensionales y acabado superficialTabla 32.3 Tabla 11.2

Tabla 23.1 y figuras 23.13 y 23.14Características de manufactura de los materiales Figura 27.4Tabla I.3Tabla 5.6 Costos generales y economíaTabla 10.1 Tabla I.4Tablas 12.2 y 12.6 Tabla 6.1Tabla 14.3 Sección 12.6Tablas 16.2 y 16.3 y figura 16.34 Sección 14.9Sección 21.7 Sección 16.15Figura 22.2 Sección 17.8 y tabla 17.6Sección 30.9.2 Sección 19.16

Figura 24.34Capacidades de los procesos de manufactura Sección 25.8Tablas 11.1 y 11.2 Sección 26.9 y figura 26.34Tabla III.1 Sección 27.10Tabla 14.1 Sección 31.8Tabla 16.1 Sección 32.7Sección 17.7 y figura 17.14 Tablas 40.2, 40.5, y 40.9

• ¿Son innecesariamente estrictas las tolerancias dimensionales y el acabado superfi-cial especificado, que incrementan de manera significativa el costo del producto?

• ¿Se pueden relajar dichas tolerancias, dimensiones y acabado superficial sin efectosadversos?

• ¿Requerirá demasiado tiempo o será difícil ensamblar y desensamblar el productopara mantenimiento, servicio o reciclaje de alguno de sus componentes?

• ¿Se han considerado subensambles?

• ¿Se ha minimizado el uso de elementos de sujeción (incluyendo su cantidad y va-riedad)?

40.2 Diseño del producto 1241

Como ejemplos de las consideraciones anteriores, obsérvese de qué manera (a) se hareducido el tamaño de productos como cámaras, computadoras, calculadoras, equipo elec-trónico y teléfonos celulares; (b) a menudo la reparación de productos (incluyendo electro-domésticos y automóviles) se realiza sustituyendo subensambles y módulos, y (c) se usanmenos sujetadores en los productos y más ensambles que utilizan sujetadores de presión.

Diseño del producto y cantidad de materiales. Con las altas capacidades deproducción y las reducidas tarifas de mano de obra debidas al moderno equipo y la auto-matización, el costo de los materiales se ha vuelto una parte significativa del costo total deun producto. Aunque el costo del material no se puede reducir por abajo del nivel delmercado, es posible disminuir la cantidad de materiales utilizados en los componentes aproducir. El amplio uso de técnicas (como el análisis de elementos finitos, el diseño de pesomínimo, la optimización del diseño, y el diseño y la manufactura asistidos por computadora)ha facilitado en gran medida el análisis del diseño, la selección y el uso de los materiales y laoptimización general.

Por lo común, se pueden reducir las cantidades de materiales utilizados disminuyendoel volumen del componente. Este enfoque puede incluir la selección de materiales que tenganaltas relaciones de resistencia a peso o de rigidez a peso. Es obvio que se pueden obtener re-laciones mayores si se mejora y optimiza el diseño del producto y se seleccionan diferentessecciones transversales, como las que tienen un elevado momento de inercia (es decir, vigas Iy canales), o empleando componentes tubulares o huecos en lugar de barras sólidas.

Sin embargo, implantar tales cambios de diseño y minimizar la cantidad de materialesutilizados puede llevar a secciones transversales delgadas y presentar problemas importantesde manufactura, como:

• La fundición o moldeo de secciones transversales delgadas puede presentar dificulta-des tanto en el llenado de la matriz y el molde como al mantener las especificacionesde la precisión dimensional y el acabado superficial.

• El forjado de secciones delgadas requiere grandes fuerzas, debido a la fricción y alrápido enfriamiento de las secciones delgadas en el forjado en caliente.

• Puede ser difícil la extrusión por impacto de partes con paredes delgadas, en particu-lar cuando se requiere una precisión dimensional y una simetría elevadas.

• Al disminuir el espesor de las hojas, se puede reducir la capacidad de formado en eltrabajado con láminas metálicas; esto también puede provocar pandeo de la parte,bajo la acción de los altos esfuerzos de compresión desarrollados en el plano de la lá-mina durante el formado.

• El maquinado y el rectificado de piezas de trabajo delgadas pueden presentar dificul-tades, como distorsión de la parte, deficiente precisión dimensional y traqueteo. Enconsecuencia, se deben considerar procesos de maquinado avanzado en los que lasfuerzas sobre la pieza de trabajo sean mínimas o nulas.

• Soldar hojas delgadas y estructuras esbeltas puede provocar una distorsión impor-tante de la parte, debido a los gradientes térmicos desarrollados durante el ciclo desoldadura.

Por el contrario, fabricar partes con secciones transversales gruesas puede tener suspropios efectos adversos. Por ejemplo:

• En procesos como la fundición y el moldeo por inyección la velocidad de producciónpuede ser más lenta, debido al incremento del ciclo de tiempo requerido para permi-tir que la parte se enfríe en el molde antes de retirarla.

• A menos que se controle, se puede desarrollar porosidad en las secciones más grue-sas de las fundiciones.

• La capacidad para doblar hojas metálicas disminuye al aumentar su espesor.• En la metalurgia de polvos, es común que existan variaciones importantes de densi-

dad y de propiedades en las partes con espesores variables.• Soldar secciones gruesas puede ocasionar problemas en la profundidad y calidad de

la unión soldada.


• Los materiales que se endurecen por deformación no alcanzan el mismo grado detrabajado en frío; por lo tanto, las partes con paredes gruesas pueden ser más débilesque sus contrapartes con paredes delgadas.

• En las partes fundidas a presión, las secciones más delgadas tienen mayor resistenciapor unidad de espesor (debido a que se genera un tamaño de grano menor) que lassecciones más gruesas.

• El procesamiento de partes poliméricas requiere mayores tiempos de ciclo a medidaque se incrementa su espesor o volumen, debido al aumento del tiempo necesariopara que las partes se enfríen lo suficiente y así puedan ser retiradas de los moldes.

EJEMPLO 40.1 Una aplicación del diseño para manufactura y ensamble

Se pueden dar numerosos ejemplos relativos a los beneficios de aplicar los principios ylas técnicas del diseño para manufactura y ensamble en las etapas iniciales de concep-to y desarrollo del producto. Estos principios también pueden utilizarse para modificarlos diseños existentes y seleccionar métodos apropiados de producción. En un ejemplo,se consideró el rediseño del tablero de instrumentos de un helicóptero militar diseñadoy construido por McDonnell-Douglas.

Los componentes del tablero consistían en hojas metálicas, extrusiones y rema-ches. Utilizando el software DFMA y analizando este tablero, se estimó que el rediseñollevaría a los siguientes cambios: (a) el número de partes se reduciría de 74 a nueve; (b)el peso del tablero disminuiría de 3.00 kg a 2.74 kg; (c) el tiempo de fabricación, de 305horas a 20 horas; (d) el tiempo de ensamble, de 149 horas a 8 horas; y (e) el tiempo to-tal de producción, de 697 horas a 181 horas. También se calculó que, a consecuencia deeste rediseño, los ahorros en costo serían de 74%. Con base en estos resultados, se so-metieron a un análisis similar otros componentes del tablero de instrumentos.

40.3 Calidad del producto y expectativa de vida

En el capítulo 36 se describieron con detalle la calidad del producto y las técnicas com-prendidas en el aseguramiento y control de la calidad. Es difícil definir con precisión lapalabra calidad, en parte porque no sólo incluye consideraciones técnicas bien definidas,sino también la opinión humana (en consecuencia, subjetiva). Sin embargo, suele consi-derarse que un producto de alta calidad tiene las siguientes características:

• Satisface las necesidades y expectativas del cliente, incluyendo el costo.

• Es compatible con el ambiente de trabajo del cliente.

• Su funcionamiento es confiable y seguro a lo largo de su vida estimada.

• Visualmente es agradable.

• Es fácil de instalar; además, es posible darle mantenimiento y mejorarlo en el futu-ro a bajo costo.

• Se encuentra disponible en las cantidades deseadas cuando se le necesita.

En vista de la economía global y la competencia, una prioridad en la calidad delproducto es el concepto de mejora continua, como ejemplifica el término japonés Kaizen,que significa “mejoramiento sin fin”. Aun así, el nivel de calidad que un fabricante eligepara sus productos depende del mercado al que se dirigen. Los artículos de bajo costo ybaja calidad tienen su propio nicho de mercado, así como existe un mercado para pro-ductos costosos de alta calidad, como las máquinas herramienta de alta precisión, unautomóvil Rolls-Royce, un aeroplano o yate privado, o un artículo deportivo.

Hemos visto (por medio de la ingeniería concurrente, sección I.2) que los ingenie-ros de diseño y de manufactura tienen la responsabilidad y la libertad de seleccionar y

40.3 Calidad del producto y expectativa de vida 1243

especificar materiales para los productos particulares que se van a fabricar. Las conside-raciones de calidad siempre son una parte de dichas tareas. Examinemos un caso simplede selección de materiales para un desarmador común. Con base en sus funciones, unopuede especificar materiales para el vástago que tengan alta resistencia a la fluencia y ala tensión, rigidez torsional, dureza y resistencia al desgaste y a la corrosión. El resultado esque este desarmador se comportará de mejor manera y durará más que otro fabricadocon materiales de propiedades inferiores.

Por otro lado, los materiales con mejores propiedades son más costosos, debidoen parte a que es más difícil y demandante producirlos que otros. Las mismas conside-raciones se aplican al mango de los desarmadores, siendo común seleccionar plástico omadera. Cada uno de estos materiales tiene sus propias ventajas y limitaciones. Enconsecuencia, las operaciones de manufactura y los sistemas comprendidos en un pro-ducto en particular deben revisarse profundamente para mantener bajo el costo delproducto, lo que se puede hacer con base en las numerosas consideraciones técnicas yeconómicas analizadas a lo largo de este libro. Por desgracia, los ingenieros de diseñoenfrentan a menudo este dilema, que de manera breve se ha establecido como “buenoy rápido, o barato; escójase cualquiera de los dos”.

Rendimiento de la calidad. Debido a los altos costos en que se puede incurrir alconsiderar la calidad, resulta importante el concepto rendimiento de la calidad (ROQ,por sus siglas en inglés). Los componentes básicos son:

• Debido a su importante influencia sobre la satisfacción del cliente, la calidad debeverse como una inversión.

• Tiene que existir un límite a la cantidad que se debe erogar para mejorar la calidad.

• El gasto debe efectuarse específicamente para mejorar la calidad.

• Se debe revisar con cuidado el aumento en las mejoras de la calidad contra los cos-tos adicionales implicados.

Como hemos puntualizado, la calidad es bastante subjetiva. Es evidente que laspartes o productos que no sirven para su propósito original pierden calidad, y existe uncosto claramente definido que se puede calcular con base en dichos efectos.

Al contrario de la percepción general, los productos de alta calidad no necesaria-mente cuestan más. Por ejemplo, en las industrias que fabrican chips y equipos paracomputadoras se minimiza el ROQ a un valor que se aproxima a cero defectos (ver seissigma, “six sigma”; sección 36.7.2), mientras que en otros artículos (como los grifosordinarios para agua y las bisagras para puertas) el costo de eliminar los pocos últimosdefectos puede ser innecesariamente alto. La satisfacción del cliente es un factor cuali-tativo y difícil de incluir en los cálculos, pero es más probable retener a dicho clientecuando no existen defectos en los productos. Se ha estimado que los costos relativos ala identificación y reparación de defectos en los productos crecen por orden de magni-tud, a lo que se llama la regla de los diez, como se muestra en la tabla 40.2.

Expectativa de vida de los productos. Numerosas encuestas han indicado quelas expectativas de vida promedio de los productos son las que se muestran en la tabla40.3. La expectativa de vida de los productos puede variar de manera significativa, de-pendiendo de los materiales y procesos empleados (de ahí la calidad) y de muchosotros factores, en particular la frecuencia y calidad del mantenimiento requerido. Sepueden dar múltiples ejemplos en los que se debe tomar una decisión entre diferentesprocesos y materiales para fabricar un producto. Por ejemplo, considérese lo siguiente:(a) lámina metálica contra hierro fundido para sartenes; (b) acero al carbono contraacero inoxidable en los sistemas de escape de los automóviles; (c) madera contra metalen mangos para martillos; (d) plástico contra metal en muebles para exteriores, y (e)aluminio contra plástico reforzado para escaleras.


TABLA 40.2

Costo relativo de reparación en diferentes

etapas de desarrollo y venta del producto

Etapa Costo relativo de reparación

Cuando se fabrica la parte 1Subensamble de la parte 10Ensamble final del producto 100El producto se encuentra conel distribuidor 1000El producto se encuentra con el cliente 10,000

TABLA 40.3

Expectativa de vida promedio para dife-

rentes productos. Ver también tabla 36.1

Producto Años

Aspiradora 10Batería de automóvil 4Calentador de agua (de gas) 12Calentador de agua (eléctrico) 14Carro de pasajeros 8Celda de manufactura 15Computadora personal 4Horno (de gas) 18Lavadora de ropa 13Lavadora de vajillas 10Maquinaria 30Refrigerador 17Secador de ropa (de gas) 13Secadora de pelo 5Trituradora de desperdicios 10Unidad de aire acondicionado central 15

40.4 Evaluación e ingeniería del ciclo de vida: manufactura sustentable

El ciclo de vida (también denominado de la cuna a la tumba) se puede definir como lasetapas consecutivas y vinculadas de un producto o un sistema de servicios, incluyendo:

• La extracción de los recursos naturales.

• El procesamiento de las materias primas.

• La manufactura de los productos.

• El transporte y la distribución del producto al cliente.

• El uso, mantenimiento y reutilización del producto.

• La disposición del producto, o recuperación y reciclaje de sus componentes.

Obsérvese que, básicamente, todos estos factores se aplican a cualquier artículo.Cada tipo de producto tiene su propio ciclo de vida y sus propios materiales metálicosy no metálicos, que se han procesado como partes individuales y se han ensamblado.

40.4 Evaluación e ingeniería del ciclo de vida: manufactura sustentable 1245

Nótese que algunos productos son desechables y otros se pueden usar de nuevo. Ade-más de los materiales, otras consideraciones importantes son el uso de fluidos (como lu-bricantes, refrigerantes, soluciones tóxicas y los utilizados en los procesos detratamiento térmico y deposición), lo que puede tener serios efectos ambientales. Hoyen día, los reglamentos gubernamentales en muchos países han cambiado para que losfabricantes sean más conscientes del ciclo de vida.

Evaluación del ciclo de vida (LCA, por sus siglas en inglés). Según la norma ISO14000 (ver la sección 36.6), la evaluación del ciclo de vida se define como un conjuntosistemático de procedimientos para compilar y examinar las entradas y salidas de mate-riales y energía, así como los impactos o cargas ambientales asociadas, directamenteatribuibles al funcionamiento de un producto, proceso o sistema de servicios, a lo largode su ciclo de vida.

Ingeniería del ciclo de vida (LCE, por sus siglas en inglés). La ingeniería del ciclode vida se relaciona con los factores ambientales, como en el caso de la evaluación delciclo de vida, y aborda con mayor profundidad el diseño, la optimización y diversas con-sideraciones técnicas en relación con el ciclo de vida de un producto o de un proceso. Unobjetivo importante de dicha ingeniería es considerar la reutilización y el reciclaje de loscomponentes de un artículo, desde la primera etapa de análisis y consideración del diseñodel producto (también llamado diseño verde [green design] o ingeniería verde [green en-gineering]).

Aunque el análisis y la ingeniería del ciclo de vida son herramientas completas ypoderosas, su implantación puede ser costosa, desafiante y laboriosa. Esto se debe engran medida a la incertidumbre de los datos de entrada (en relación con los materiales,procesos, efectos de largo plazo, costos, etc.) y al tiempo requerido para reunir datosconfiables a fin de evaluar de manera apropiada las relaciones, a menudo complejas, entrediversos componentes de todo el sistema. Se ha desarrollado diferente software paraagilizar estos análisis, sobre todo en la industria química y de procesos, debido a su mayorpotencial de daño ambiental durante sus operaciones.

Manufactura sustentable. En años recientes nos hemos vuelto cada vez más cons-cientes de que los recursos de esta tierra son limitados y necesitamos conservar materialesy energía. El término manufactura sustentable se utiliza ahora para indicar y enfatizarla necesidad de conservar recursos, en particular mediante el mantenimiento apropiadoy la reutilización. Al mismo tiempo que se mantiene la rentabilidad de una empresa,esto se debe hacer para: (a) aumentar el ciclo de vida de los productos; (b) eliminar eldaño al ambiente, y (c) asegurar nuestro bienestar social colectivo, sobre todo paralas generaciones futuras.

EJEMPLO 40.2 Manufactura sustentable en la producción de calzado deportivo Nike

Entre los numerosos ejemplos de la industria, la producción del calzado Nike indicacon claridad los beneficios de la manufactura sustentable. El calzado deportivo se en-sambla mediante adhesivos. Hasta 1990, los adhesivos usados contenían solventescon base de petróleo, lo que representa riesgos para la salud humana y contribuye alos humos petroquímicos. La compañía trabajó con sus proveedores de productosquímicos hasta desarrollar con éxito una tecnología de adhesivos con base de agua, queahora se emplea en la mayoría de las operaciones de ensamble de zapatos. El resultadoes que el uso de solventes en todos los procesos de manufactura en las instalacionessubcontratadas en Asia se ha reducido 67% desde 1995. De la misma manera, en1997 se sustituyeron 834,000 galones de solventes peligrosos con 1290 toneladas deadhesivos con base de agua.


40.5 Selección de materiales para productos

Al seleccionar materiales para un producto, es fundamental comprender claramentelos requerimientos funcionales de cada uno de sus componentes individuales. Aunque loscriterios generales de dicha selección se indicaron en la sección I.4 de la IntroducciónGeneral, aquí se discuten con más detalle.

Propiedades mecánicas, físicas y químicas. Como señalamos en el capítulo 2,son propiedades mecánicas la resistencia, tenacidad, ductilidad, rigidez, dureza y resis-tencia a la fatiga, al deslizamiento y al impacto. Las propiedades físicas son la densidad,el punto de fusión, el calor específico, la conductividad térmica y eléctrica, la dilata-ción térmica y las propiedades magnéticas. Por último, las propiedades químicas, queson de interés fundamental en la manufactura, son la susceptibilidad a la oxidación y ala corrosión, asó como los diversos procesos de tratamiento superficial descritos en elcapítulo 34.

Ahora la selección de materiales es más fácil y rápida debido a la disponibilidad debases de datos completas que proporcionan mayor posibilidad de acceso y precisión. Sinembargo, para facilitar la selección de materiales y otros parámetros que describiremosdespués, se ha desarrollado software para sistemas expertos (bases de datos inteligentes;ver también sección 39.8). Con la entrada apropiada del diseño del producto y de los re-querimientos funcionales, estos sistemas son capaces de identificar materiales adecuadospara una aplicación particular como lo haría un experto o un equipo de expertos.

En la selección de materiales para diferentes productos es importante considerarlos siguientes factores:

• ¿Los materiales seleccionados tienen las características apropiadas para la manu-factura?

• ¿Se pueden sustituir algunos materiales por otros que sean menos costosos?

• ¿Los materiales considerados tienen propiedades que exceden innecesariamente losrequerimientos y especificaciones mínimos?

• ¿Las materias primas (en almacén) especificadas existen en formas, dimensiones,tolerancias y características superficiales estándar?

• ¿Es confiable el suministro de materiales? ¿Se puede entregar el material en las can-tidades y en el marco de tiempo requeridos? ¿Es probable que existan incrementoso fluctuaciones significativas de precio?

• ¿El material presenta algún riesgo o preocupación ambiental?

Formas de materiales disponibles comercialmente. Después de seleccionar losmateriales necesarios, debemos conocer las formas y tamaños en que se encuentran dis-ponibles comercialmente estos materiales (tabla 40.4). En general, existen en diversas

En relación con otro componente del zapato, las suelas de hule, se fabrican me-diante un proceso que produce cantidades significativas de hule adicional en la periferiade la suela (llamado rebaba, que es similar a la rebaba mostrada en las figs. 14.5d o19.19c). Con cerca de 40 fábricas que utilizan miles de moldes y producen más de unmillón de suelas al día, la rebaba constituye el trozo más grande de desperdicio en elproceso de manufactura de los zapatos. Para reducirlo, la compañía desarrolló una tec-nología que muele la rebaba y la convierte en polvo de hule de que después seagrega otra vez a la mezcla necesaria para fabricar la suela. El desperdicio se redujo40%, pero también se encontró que el hule mezclado tiene mejor resistencia a la abra-sión, más durabilidad y un desempeño general superior al hule de mayor calidad.

500 mm

40.5 Selección de materiales para productos 1247

formas, como fundiciones, extrusiones, forjas, barras, placas, láminas, hojas, alambres ypolvos metálicos.

La compra de materiales en las formas que requieren el menor procesamientoadicional es un factor importante. Sin embargo, también se deben tener en cuenta ca-racterísticas como la calidad superficial, las tolerancias dimensionales y la rectitud.Obviamente, cuanto mejores y más consistentes sean estas características, menor pro-cesamiento adicional se requerirá.

Por ejemplo, si deseamos producir ejes simples que tengan una buena precisión di-mensional, redondez, rectitud y acabado superficial, podemos comprar barras redondasque se tornean y rectifican sin centros a las dimensiones especificadas. A menos quenuestras instalaciones sean capaces de producir barras redondas en forma económica, engeneral es más barato comprarlas.

Por otro lado, si necesitamos fabricar un eje escalonado (que tenga diferentesdiámetros a lo largo de su longitud), podemos comprar una barra redonda (con un diá-metro por lo menos igual al mayor diámetro del eje escalonado final) y cilindrarla enun torno, o procesarla por algún otro medio a fin de reducir su diámetro. Si el materialtiene amplias tolerancias dimensionales, está alabeado o no es redondo, debemos orde-nar un tamaño mayor para asegurar el apropiado control dimensional del eje final.

Como hemos visto, cada paso de manufactura produce partes que tienen formasespecíficas, acabados superficiales y precisiones dimensionales. Los ejemplos incluyen:

• Los productos laminados o estirados en caliente tienen un acabado superficial másrugoso y mayores tolerancias dimensionales que los productos laminados o estira-dos en frío.

• En general, las fundiciones tienen menor precisión dimensional y un acabado su-perficial más deficiente que las partes fabricadas mediante extrusión en frío o pormetalurgia de polvos.

• Las barras redondas torneadas en un torno suelen tener un acabado superficialmás rugoso que las barras que se rectifican en rectificadoras cilíndricas.

• En general, el espesor de pared de los tubos soldados es más uniforme que el de latubería sin costura (producidos por el proceso Mannesmann; ver fig. 13.18).

• Las extrusiones tienen menores tolerancias de sección transversal que las partes fa-bricadas mediante formado por laminación de hojas metálicas.

TABLA 40.4

Formas de materiales disponibles comercialmente

Material Disponible como

Aceros y aceros inoxidables B, I, P, S, T, WAluminio B, F, I, P, S, T, WCerámicos B, p, s, TCobre y latón B, f, I, P, s, T, WElastómeros b, P, TGrafito B, P, s, T, WMagnesio B, I, P, S, T, wMetales preciosos B, F, I, P, t, WPlásticos B, f, P, T, wVidrio B, P, s, T, WZinc F, I, P, W

Nota: B 5 barra y varilla; F 5 hoja; I 5 lingote; P 5 placa y lámina; S 5

formas estructurales; T 5 tubería; W 5 alambreLas minúsculas indican disponibilidad limitada.La mayoría de los metales también se encuentran disponibles en formade polvo, incluyendo polvos pre-aleados.


Características de manufactura de los materiales. Como hemos descrito a lolargo de este libro, comúnmente las características de manufactura de los materiales in-cluyen la capacidad de ser fundidos, la capacidad de ser trabajados, la formabilidad, lamaquinabilidad, la soldabilidad y la capacidad de endurecimiento mediante tratamientotérmico. A las materias primas se les tiene que modelar, dar forma, maquinar, rectificar,fabricar o tratar térmicamente para convertirlas en componentes individuales con formasy dimensiones específicas, por lo que sus características de manufactura son cruciales paraseleccionar de manera apropiada estos materiales.

Recuérdese también que la calidad de las materias primas puede influir en gran me-dida en sus propiedades de manufactura. Algunos ejemplos son los siguientes:

• Una varilla o barra con costura longitudinal (solapa) desarrolla grietas durante lasoperaciones de recalcado simple y cabeceado.

• Las barras redondas con defectos internos e inclusiones duras se agrietan durante laproducción de tubo sin costura.

• Las fundiciones porosas producen un acabado superficial deficiente cuando se ma-quinan.

• Las piezas en bruto a las que se les da tratamiento térmico no uniforme y las barras alas que no se les relevan esfuerzos se distorsionan durante el procesamiento posterior.

• Los materiales que se surten del almacén y tienen variaciones de composición y mi-croestructura no se pueden tratar térmicamente, ni maquinar de manera consistentey uniforme.

• Las láminas metálicas que tienen variaciones en sus condiciones de trabajado en fríomuestran una recuperación elástica durante el doblado y otras operaciones de for-mado debido a diferencias en el esfuerzo de fluencia.

• Si se suministran piezas en bruto de lámina metálica prelubricada con una distribucióny espesor no uniformes del lubricante, se afecta de manera adversa su formabilidad,acabado superficial y calidad global en las operaciones de estampado.

Confiabilidad del suministro de materiales. En la sección I.4 puntualizamos fac-tores geopolíticos que pueden afectar el suministro de materiales estratégicos. Otros facto-res como huelgas, escasez y la resistencia de los proveedores a producir materiales con unaforma, calidad o cantidad particular (porque no existe incentivo económico) también afec-tan la confiabilidad del suministro. Aunque la disponibilidad de materiales a lo largo de unpaís puede no ser una preocupación importante, se convertiría en un problema para algúnnegocio debido a la ubicación particular de una planta manufacturera.

Consideraciones de reciclaje. Hemos reiterado la importancia del reciclaje en la se-lección de materiales. Recordemos que para reciclar se requiere separar los componentesindividuales de un producto. Si tiene que aplicarse mucho esfuerzo y tiempo para hacerlo, sepuede volver prohibitivo. En este punto resumimos algunos de los lineamientos generalespara facilitar el reciclaje.

• Reducir el número de partes y tipos de materiales en los productos.

• Utilizar un diseño modular para facilitar el desensamble.

• En el caso de partes plásticas, utilizar tipos simples de polímeros (hasta donde seaposible).

• Marcar las partes plásticas para facilitar la identificación (como se hace con los con-tenedores y las botellas de plástico para alimentos).

• No utilizar recubrimientos, pinturas y depósitos; en su lugar, usar partes de plásticomoldeadas en color.

• Tampoco utilizar adhesivos, remaches y otros métodos de unión permanente paraensamble; en su lugar, emplear elementos de sujeción, en particular sujetadores ins-tantáneos de presión.

40.5 Selección de materiales para productos 1249

Como ejemplo de este tipo de método para reciclaje, un fabricante de impresorasláser de inyección de tinta ha reducido 32% el número de partes en el cartucho y 55% elnúmero de resinas plásticas.

Costo de los materiales y el procesamiento. Debido a su historia de procesa-miento, el costo unitario de una materia prima depende no sólo del propio material, sinotambién de su forma, tamaño y condiciones. Por ejemplo, como la producción de un alam-bre delgado implica más operaciones que la de una barra redonda, el costo unitario delalambre es mucho más elevado. De manera semejante, en general los polvos metálicos sonmás costosos que los metales a granel. Además, el costo de los materiales suele disminuir alaumentar la cantidad de compra. Igualmente, algunos segmentos de la industria (como lascompañías automotrices) compran materiales en cantidades muy grandes; cuanto mayorsea la cantidad, menor será el costo por unidad de peso (descuento por volumen).

El costo de los materiales puede ser determinado en función del costo por unidadde peso o costo por unidad de volumen. En la tabla 40.5 se muestra el costo por uni-dad de volumen en relación con el del acero al carbono. El beneficio del costo por volumense puede ver en el siguiente ejemplo sencillo. En el diseño de una viga rectangular envoladizo que soporta cierta carga en su extremo, se especifica una deflexión máxima.Utilizando las ecuaciones desarrolladas en la mecánica de sólidos y suponiendo que sepuede despreciar el peso de la viga, podemos determinar una sección transversal apropia-da de ella. Como ahora se conocen todas las dimensiones, es posible calcular su volumen,y si conocemos el costo del material por unidad de volumen, podemos estimar con faci-lidad el costo de la viga. Si el costo es por unidad de peso, primero tenemos que calcularsu peso y después determinar el costo.

El costo de un material particular está sujeto a fluctuaciones originadas por factorestan simples como la oferta y la demanda, o tan complejos como la geopolítica. Si unproducto ya no es competitivo en costo, se pueden seleccionar materiales alternativos ymás baratos. Por ejemplo, la escasez de cobre en la década de 1940 obligó al gobiernode Estados Unidos a acuñar monedas de 5 centavos de acero recubierto con zinc. Deigual manera, cuando el precio del cobre aumentó en forma sustancial durante la déca-da de 1960, el cableado eléctrico que se instalaba en los hogares (por algún tiempo) sefabricó con aluminio. Sin embargo, esta sustitución obligó a rediseñar los interruptoresy tomas de corriente para evitar calentamiento excesivo en las uniones.

Cuando se produce el desperdicio durante la manufactura, como en la fabricación delámina metálica, el forjado y el maquinado, el valor del desperdicio se deduce del costo delmaterial para obtener el costo neto del material. En la tabla 40.6 se presenta el desperdiciogenerado en procesos seleccionados de manufactura. Obsérvese que, en el maquinado,el desperdicio puede ser muy alto, mientras que el laminado, el laminado de anillos y la

TABLA 40.5

Costo aproximado por unidad de volumen para metales forjables y

polímeros, en relación con el costo del acero al carbono

Oro 60,000 Aleaciones de aluminio 2–3Plata 600 Aceros de baja aleación de alta resistencia 1.4Aleaciones de molibdeno 200–250 Hierro fundido gris 1.2Níquel 35 Acero al carbono 1Aleaciones de titanio 20–40 Nailons, acetales y siliconas 1.1–2Aleaciones de cobre 5–6 Hule 0.2–1Aceros inoxidables 2–9 Otros plásticos y elastómeros 02–2Aleaciones de magnesio 2–4

Como compuestos de moldeoNota: Los costos varían de manera significativa con las cantidades compradas, la oferta y la demanda,el tamaño y la forma, y otros diversos factores.

*

*


TABLA 40.6

Intervalos aproximados de desperdicio generado en diferentes procesos

de manufactura

Proceso Desperdicio (%) Proceso Desperdicio (%)

Maquinado 10–60 Fundición con moldepermanente 10

Forja en caliente 20–25 Metalurgia de polvosFormado de lámina metálica 10–25 LaminadoExtrusión en caliente 15

6165

EJEMPLO 40.3 Efecto de la dureza de la pieza de trabajo en el taladrado

Unas piezas en bruto forjadas para engranes y fabricadas de acero aleado 8617, teníanun intervalo de dureza de 149 HB a 156 HB y requerían el taladrado de un orificio de75 mm (3 pulgadas) de diámetro en la masa. Las piezas se taladraron con una brocahelicoidal estándar. Sin embargo, después de sólo 10 piezas, la broca comenzó a ex-coriarse y a desafilarse, las temperaturas aumentaron de manera excesiva y los orifi-cios taladrados habían desarrollado un acabado superficial interno rugoso.

Para mejorar la maquinabilidad y reducir la excoriación, se aumentó la durezade las piezas en bruto en un intervalo de 217 HB a 241 HB calentándolas a 840 °C(1540 °F), enfriándolas después en aceite. Cuando se taladraron las piezas a este nivelde dureza, se redujo la excoriación, se mejoró el acabado superficial, la vida de la bro-ca se incrementó a 50 piezas y disminuyó 80% el costo del taladrado.

Fuente: ASM International.

40.6 Sustitución de materiales

En la actualidad es difícil encontrar un producto en el mercado global donde no se hayautilizado la sustitución de materiales para ayudar a las compañías a mantener sus posi-ciones competitivas. La manufactura de automóviles y aeronaves es un ejemplo comúnde industrias importantes en las que la sustitución de materiales constituye una actividadcontinua. Una tendencia similar es evidente en los artículos deportivos y en otros nu-merosos productos.

Aunque continuamente aparecen nuevos productos en el mercado, la mayoría de losesfuerzos de diseño y manufactura se relaciona con la mejora de los artículos existentes.Son varias las razones para sustituir materiales en dichos productos:

1. Reducir los costos de los materiales y del procesamiento.

2. Mejorar la manufactura, ensamble e instalación y permitir la conversión al ensambleautomatizado.

3. Mejorar el desempeño del producto (por ejemplo, mediante la reducción de peso omejorando la resistencia al desgaste, a la fatiga y a la corrosión).

metalurgia de polvos (todos los cuales son procesos de forma neta, o casi neta) producenla menor cantidad de desperdicio. Como se esperaba, el valor del desperdicio dependedel tipo de metal y de su demanda; por lo común se encuentra entre 10% y 40% del costooriginal del material.

40.6 Sustitución de materiales 1251

4. Aumentar las relaciones rigidez a peso y resistencia a peso.

5. Reducir la necesidad de mantenimiento y reparación.

6. Reducir la vulnerabilidad por la falta de confiabilidad en el suministro de materiales.

7. Mejorar el cumplimiento de las leyes y los reglamentos que prohíben el uso deciertos materiales por razones ambientales, así como responder a otras inquietu-des sociales.

8. Mejorar la robustez para reducir las variaciones del desempeño o la sensibilidadambiental del producto.

Sustitución de materiales en la industria automotriz. El automóvil es unbuen ejemplo de la sustitución efectiva de materiales para alcanzar uno o más de los ob-jetivos descritos. Algunos ejemplos de sustitución de materiales son:

• Algunos componentes del cuerpo metálico han sido sustituidos por partes de plás-tico o de plástico reforzado.

• Defensas, engranes, bombas, tanques de combustible, alojamientos, cubiertas,abrazaderas y otros componentes metálicos han sido sustituidos por plásticos ocompósitos.

• Componentes metálicos del motor han sido sustituidos por partes cerámicas yde compósitos.

• Ejes impulsores totalmente metálicos han sido sustituidos por ejes impulsoresde materiales compósitos.

• Monobloques de hierro fundido para motores han sido sustituidos por alumi-nio fundido, cigüeñales forjados por cigüeñales fundidos, y bielas forjadas porbielas fundidas, fabricadas por metalurgia de polvos o con materiales compó-sitos.

• Los asientos de piel en algunos automóviles de lujo (incluyendo el Mercedes)se pueden sustituir (de manera opcional) con materiales sintéticos, en respues-ta a las inquietudes planteadas por grupos promotores.

Debido a que la industria automotriz es un consumidor importante de materialesmetálicos y no metálicos, existe una competencia constante entre proveedores, sobretodo en los ramos del acero, aluminio y plásticos. Los ingenieros y gerentes de la in-dustria investigan a menudo las ventajas y limitaciones relativas de estos materialesprincipales en sus aplicaciones, reciclaje y otras consideraciones ambientales, así comoen los costos y beneficios relativos (en particular).

Sustitución de materiales en la industria aeronáutica. En las industrias aero-náutica y aeroespacial:

• Las aleaciones convencionales de aluminio (series 2000 y 7000) están siendo susti-tuidas con aleaciones de aluminio-litio y de titanio (debido a sus relaciones máselevadas de resistencia a peso).

• Las partes forjadas están siendo sustituidas con partes fabricadas mediante meta-lurgia de polvos, las cuales tienen un mejor control de las impurezas y de la mi-croestructura, además de que requieren menos maquinado y generan menosdesperdicio de materiales costosos.

• Materiales compósitos avanzados y estructuras de panal están sustituyendo a com-ponentes tradicionales de estructuras de aluminio (fig. 40.1), en tanto que loscompósitos de matriz metálica están reemplazando a algunos de los componentesestructurales de aluminio y titanio.


EJEMPLO 40.4 Cambios de materiales entre los aviones militares de carga C-5A yC-5B

En la tabla 40.7 se muestran los cambios realizados para diversos componentes de lasdos aeronaves y las razones de dichos cambios.

Fuente: H. B. Allison, Lockheed-Georgia.

Panal de aluminio

Metal-metal

Panal de aluminio-FRP

Estructura de FRP

Panal con frente de titanio

FIGURA 40.1 Materiales avanzados en la aeronave de transporte LockheedC-5A. (Nota: FRP es plástico reforzado con fibra, en inglés).

TABLA 40.7

Cambios de materiales del avión militar de carga C-5A al C-5B

Artículo Material del C-5A Material del C-5B Razón para el cambio

Tableros de ala 7075-T6511 7175-T73511 DurabilidadEstructura principal

Forjas 7075-F 7049-01 Resistancia a la corrosión bajoEstructuras maquinadas 7075-T6 7049-T73 esfuerzoCintas de marcos Placa 7075-T6 Placa 7050-T7651

Cubierta del fuselaje 7079-T6 7475-T61 Disponibilidad del materialAccesorios de extremo 7075-T6 forja 7049-T73 forja Resistancia a la corrosión bajo

piso del fuselaje esfuerzoAccesorio de sujeción ala/pilón Acero aleado 4340 PH13-8Mo Prevención de la corrosiónGanchos de seguro de rampa

trasera D6-AC PH13-8Mo Prevención de la corrosiónLíneas hidráulicas Acero inoxidable AM350 Acero inoxidable 21-6-9 Mejorar reparación en campoAbrazaderas de

aseguramiento del fuselaje Titanio 6AI-4V Aluminio 7475-T61 Desprendimiento de cinta de titanio

40.7 Capacidades de procesos de manufactura 1253

40.7 Capacidades de procesos de manufactura

Hemos visto que cada proceso de manufactura tiene sus ventajas y limitaciones particu-lares. Por ejemplo, la fundición y el moldeo por inyección de polvos suelen producirformas más complejas que el forjado. Sin embargo, mediante operaciones posterioresde maquinado y acabado, las forjas pueden adquirir formas complejas con gran pre-cisión dimensional y acabado superficial; además, tienen una resistencia y tenacidadque por lo general superan a las de los productos de la fundición y la metalurgia depolvos.

La forma de un producto puede ser tal que se fabrique mejor a partir de varioscomponentes individuales que se unen después con elementos de sujeción, o con técni-cas como la soldadura, la soldadura fuerte y la unión con adhesivos. Para otro producto,manufacturarlo de una sola pieza puede ser más económico debido a los significativoscostos de ensamble implicados en caso contrario.

Otros factores que se deben considerar en la selección del proceso son el tamañomínimo de la sección y las dimensiones que se pueden producir de manera satisfactoria(fig. 40.2). Por ejemplo, es posible fabricar las secciones muy delgadas mediante laminadoen frío, pero sería difícil o imposible utilizar procesos como la fundición en arena, la for-ja o la metalurgia de polvos.

Tolerancias dimensionales y acabado superficial. Las tolerancias superficiales yel acabado superficial producido son importantes, sobre todo en las operaciones posterio-res de ensamble (debido a las posibles dificultades para ajustar las partes para ensamble) yen la operación apropiada de las máquinas e instrumentos (porque su desempeño puedeafectar las tolerancias y el acabado). En la figura 40.3 se ilustran de manera cualitativa latolerancia dimensional y el acabado superficial que se obtienen por lo común mediante di-versos procesos de manufactura.

Fundición en arena (acero)

Fundición en cáscara (acero)

h

1

50 100 150 200 250 300

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1

0.1

0

0.2

0.3

0.4

2

3

4

5

mm

Espesor

mín

imo d

el alm

a h

(pulg

adas)

Dimensión mínima del alma, w (pulgadas)

mm

6

7

8

9

10

Polímeros termoplásticosLaminado en frío

Laminadoen caliente

Fundición a presión (Zn)

Forja (acero)

Fundición a presión (Al)

Moldeo en yeso, de revestimiento (acero), fundición a presión (Cu)

Forja (Al, Mg): fundición (Al, hierro fundido)

Polímeros termofijos

w

FIGURA 40.2 Capacidades del proceso de manufactura para dimensiones mínimas de unaparte. Fuente: J. A. Schey.


Para obtener tolerancias dimensionales más cerradas y un mejor acabado superfi-cial, es fundamental controlar los parámetros de procesamiento y utilizar maquinaria,equipo y herramental de mayor calidad; en caso contrario, es posible que sean necesariasoperaciones adicionales (y, por ende, costosas) de acabado. Cuanto más cerrada sea latolerancia y más fino el acabado superficial especificado, mayor será el costo de manu-factura, como se muestra en la figura 40.4.

Además, cuanto más fino sea el acabado superficial requerido, mayores serán eltiempo de manufactura, el número de procesos involucrados y el costo del producto(fig. 40.5). Por ejemplo, en el maquinado de miembros estructurales para aeronaves, fa-bricados con aleaciones de titanio, se ha observado que en el paso final de maquinadopara mantener las tolerancias apropiadas y el acabado superficial, se puede gastar hasta60% del costo de maquinado de la parte. A menos que se requiera otra cosa (mediante lajustificación técnica y económica apropiada), las partes se deben fabricar con un acabado

Tole

rancia

(m

m)

Rugosidad superficial RMS (m)

10

1

1021

1022

1023

1024

102110221023 1 10 100

Moldeo de polímeros,formado de compósitos

SopladoCom

pres

ión

Inye

cció

n

Méto

dos de d

epósito

Moldeo de compósitos

Devanado

de filamentos

En cáscara

De revestim

iento

Deformación

Fundición

Trabajo en caliente

Trabajo en frío

En

aren

a

Fundición

a pre

sión

Lapeado

Rectificado

Torneado,fresado

Métodos demicrofabricación

Maquinadoy acabado

Costocreciente

FIGURA 40.3 Gráfica de tolerancia obtenible contra rugosidad superficial para diversas operaciones demanufactura. Las líneas discontinuas indican factores de costo en donde un incremento en la precisión co-rrespondiente a la separación de dos líneas cercanas da un incremento en costo para un proceso dado (o unfactor de dos). Fuente: M. F. Ashby, Materials Selection in Design. Butterworth-Heineman, 1999.

40.7 Capacidades de procesos de manufactura 1255

superficial tan rugoso y una tolerancia dimensional tan amplia como sea aceptable fun-cional y estéticamente.

Cantidad de producción. Dependiendo del tipo de producto, la cantidad de produc-ción (tamaño de lote) varía ampliamente. Por ejemplo, los rodamientos, pernos, bujías,municiones, contenedores plásticos, neumáticos, automóviles y podadoras de pasto sefabrican en cantidades muy grandes. Por el contrario, los motores de propulsión, motores

0

0.025

2

4

Tie

mpo d

e p

roducció

n r

ela

tivo

6

8

10

12

14

16

18

20

22

241

0.05 0.1 0.2 0.4 0.8 1.6 3.2 6.3 12.5 25 50

4 16 32 125 500 2000

Rectificado cilíndrico

Rectificado de superficie

Fresado frontal

Escariado

Formadoy planeado

Taladrado

Fresado

‘periféricoTorneado

Acabado superficial (mm)

mpulg

FIGURA 40.5 Tiempo de producción relativo en función del acabadosuperficial producido mediante diversos procesos de manufactura (ver tam-bién fig. 26.34).

0

123

5

11

17

0

5 10 15 20 25 30

Tolerancia (pulg 3 1023)

Costo

rela

tivo

mm

0.25 0.5 0.75

FIGURA 40.4 Dependencia del costo de manufac-tura de las tolerancias dimensionales.


a diesel, locomotoras y embarcaciones se producen en cantidades limitadas. La cantidad deproducción también juega un papel importante en la selección del proceso y del equipo. Dehecho, se ha dedicado toda una disciplina (denominada cantidad económica de orden) paradeterminar de manera matemática la cantidad óptima de producción.

Capacidad o velocidad de producción. Un factor importante en la selección delproceso de manufactura es la capacidad o velocidad de producción. Ésta se define como elnúmero de piezas que se producen por unidad de tiempo (es decir, por hora, por día o poraño). Recuérdese que procesos como la fundición a presión, la metalurgia de polvos, el em-butido profundo, el estirado de alambre y el formado con rodillos son operaciones con altascapacidades de producción. Por el contrario, la fundición en arena, el maquinado convencio-nal y electroquímico, el rechazado metálico, el formado superplástico, la unión por adhesivosy por difusión y el procesamiento de los plásticos reforzados son operaciones de una relativabaja capacidad de producción. Sin embargo, esto no necesariamente significa que un proce-so de manufactura sea inherentemente antieconómico. Es obvio que se puede aumentar lacapacidad de producción mediante múltiples equipos y máquinas muy automatizadas.

Tiempo de entrega. En general, el tiempo de entrega se define como el periodo entrela recepción de una orden para un producto y su entrega al usuario en el momento espe-cificado. La selección de un proceso y operación de manufactura se afecta en gran medidapor el tiempo requerido para iniciar la producción. Por ello, dependiendo de la complejidadde la forma del dado o matriz, su tamaño y el material, el tiempo de entrega para procesoscomo la forja, la extrusión, la fundición a presión, el formado con rodillos y el formado deláminas metálicas puede variar desde semanas hasta meses.

Por el contrario, los procesos de remoción de material, como el maquinado, el recti-ficado y las técnicas avanzadas de maquinado tienen una flexibilidad importante, ya queutilizan máquinas y herramentales que se pueden adaptar con facilidad a la mayoría de losrequerimientos de producción en muy corto tiempo. Recuérdese que los centros de maquina-do, las celdas flexibles de manufactura, y los sistemas flexibles de manufactura son capacesde responder con rapidez y efectividad a los cambios del producto y a las cantidades deproducción.

Robustez de los procesos y maquinaria para la manufactura. En la sección36.5.1 se describió la robustez en términos de un diseño, un proceso o un sistema. Paraapreciar su importancia en los procesos de manufactura, consideremos brevemente una si-tuación en la que un engrane sencillo de plástico se está produciendo mediante el moldeopor inyección y que existen variaciones importantes e impredecibles en la calidad cuando sefabrican los engranes. Existen diversas variables y parámetros bien conocidos en el moldeode plásticos por inyección, incluyendo los efectos de la calidad de la materia prima (pellets),las temperaturas dentro del sistema y el tiempo. Éstas son variables independientes, por loque se pueden controlar.

Sin embargo, existen algunas otras variables (llamadas ruido) que están en gran medi-da fuera del control del operario. Entre éstas se encuentran las variaciones de temperaturaambiente y de humedad en la planta durante el día, el polvo en el aire que entra en la plantaa través de una puerta abierta (posiblemente contaminando los pellets alimentados a lastolvas de la máquina de moldeo por inyección) y la variabilidad en el desempeño de losoperarios durante los diferentes turnos. Obviamente, es difícil o imposible controlar conprecisión estas variables.

Para obtener una buena calidad del producto de manera sostenida, primero es necesa-rio entender los efectos (en su caso) de cada elemento de ruido en la operación. Por ejemplo:(a) ¿Por qué y de qué manera afecta la temperatura ambiente la calidad y las característicassuperficiales de los engranes moldeados? (b) ¿Por qué y de qué manera afecta la capa de pol-vo de los pellets su comportamiento en la máquina de inyección? (c) ¿Cuán diferente es el de-sempeño de los diferentes operarios durante los distintos turnos y por qué? (d) ¿Existenvariaciones inherentes en el desempeño de la máquina durante el día, y de ser así, por qué?

40.8 Selección de procesos 1257

Entonces será posible establecer nuevos parámetros de operación para que lasvariaciones de, digamos, la temperatura ambiental y el ambiente de la planta, no afec-ten de manera adversa la calidad de los engranes. Obsérvese que estas consideracionesson igualmente válidas para otros procesos de producción, aunque algunos son menossensibles al ruido (como los procesos de deformación volumétrica) que otros (como lamanufactura de microelectrónicos). Debido a que éste es un tema complejo, su análisisse encuentra fuera del alcance de este libro.

40.8 Selección de procesos

Con base en los análisis y las consideraciones anteriores, ahora procedemos con el temade la selección de los procesos y maquinaria de manufactura y cómo se relaciona esteproceso de selección con diversos factores (ver también sección I.5). De los análisis hechosen los diferentes capítulos de este libro, recordemos que la selección de los procesos serelaciona íntimamente con las características de los materiales a procesar (tabla 40.8).Obsérvese que actualmente la mayoría de los procesos y operaciones de manufactura sehan automatizado o se controlan mediante computadora con el propósito de optimizartodos los aspectos de la operación completa, así como aumentar la confiabilidad y la ca-lidad del producto, reduciendo los costos (ver sección 40.9).

A continuación se analizan los factores importantes comprendidos en la selecciónde los procesos.

Características y propiedades de los materiales de las piezas de trabajo.Algunos materiales se pueden procesar a temperatura ambiente, mientras que otros re-quieren temperaturas elevadas (y de ahí la necesidad de hornos, herramental apropiadoy diferentes controles). Algunos metales se pueden trabajar con facilidad debido a queson suaves y dúctiles. Otros (que son duros, frágiles y abrasivos) exigen técnicas especia-les de procesamiento y herramentales y materiales particulares.

Los materiales tienen diferentes características de manufactura, como capacidad pa-ra fundirse, capacidad para forjarse, capacidad de trabajo, maquinabilidad y soldabilidad.Pocos materiales poseen características favorables en todas estas categorías importantes.Por ejemplo, un material que se puede fundir o forjar tal vez presente dificultades posterio-res en el maquinado, rectificado u operaciones de acabado que se puedan requerir paraobtener un acabado superficial, una precisión dimensional y una calidad aceptables.

Los materiales también tienen diferentes respuestas a la velocidad de deformación(sensibilidad a la velocidad de deformación) a la que se someten. Por ende, la velocidada la que funciona una máquina afectará la calidad del producto, incluyendo el desarrollode defectos externos e internos. Por ejemplo, la extrusión por impacto o el forjado porgravedad pueden no ser apropiados para materiales con una alta sensibilidad a la veloci-dad de deformación, mientras que se comportarán bien en una prensa hidráulica o en laextrusión directa.

Rasgos geométricos de la parte. Los rasgos de las partes, como forma, tamaño,espesor, tolerancias dimensionales y requerimientos de acabado superficial, influyen engran medida en la selección de un proceso o procesos, como hemos indicado a lo largode este capítulo y en los otros capítulos de este libro.

Capacidad y cantidad de producción. Estos requerimientos dictan la seleccióndel proceso mediante la productividad de un proceso, una máquina o un sistema, comohemos descrito a lo largo de este libro.

Consideraciones en la selección de procesos. En las siguientes preguntas pode-mos resumir los factores comprendidos en la selección de procesos.

• ¿Tiene que manufacturarse en la planta cada componente del producto? ¿Algunasde las partes se encuentran disponibles comercialmente como artículos estándar?

TABLA 40.8

Características generales de los procesos de manufactura para diferentes metales y aleaciones

Aceros Aceros para Aleaciones Aleaciones Aleaciones Aleaciones Aleacionesal Aceros Aceros herramentales de de de de de Aleaciones

carbono aleados inoxidables y matrices o dados aluminio magnecio cobre niquel titanio refractarias

FundiciónEn arena A A A B A A A A B AEn yeso — — — — A A A — — —Cerámico A A A A B B A A B ADe revestimiento A A A — A B A A A APermanente B B — — A A A — — —En matriz o dado — — — — A A A — — —

ForjaEn caliente A A A A A A A A A A

ExtrusiónEn caliente A A A B A A A A A AEn frío A B A — A — A B — —Por impacto — — — — A A A — — —

Laminado A A A — A A A A A BMetalurgia de polvos A A A A A A A A A AFormado de lámina metálica A A A — A A A A A AMaquinado A A A — A A A B A B

Químico A B A B A A A B B BECM — A B A — — B A A AEDM — B B A B — B B B A

Rectificado A A A A A A A A A ASoldadura A A A — A A A A A A

Nota: En general, se procesan mediante este método: A; se pueden procesar mediante este método, pero pueden presentar algunas dificultades: B; comúnmente nose procesan por medio de este método:— La calidad y productividad del producto depende en gran medida de las técnicas y equipos utilizados, la habilidad deloperario y el control apropiado de las variables de procesamiento.

1258

40.8 Selección de procesos 1259

• ¿Está disponible en la planta el herramental requerido? ¿Se puede comprar comoartículo estándar?

• ¿Se puede implantar la tecnología de grupos para partes con atributos similares degeometría y manufactura?

• ¿Se han investigado todos los procesos alternativos de manufactura?

• ¿Son económicos los métodos seleccionados para el tipo de material, la forma de laparte a producir y la capacidad requerida de producción?

• ¿Se pueden cumplir consistentemente los requisitos de tolerancias dimensionales,acabado superficial y calidad del producto, o se pueden relajar?

• ¿Se puede producir la parte hasta alcanzar sus dimensiones finales sin requerir pro-cesamiento adicional?

• ¿Se han optimizado todos los parámetros de procesamiento?

• ¿Se genera desperdicio, y si es así, se ha minimizado? ¿Cuál es el valor del desper-dicio?

• ¿Se han analizado todas las posibilidades de automatización y de control por compu-tadora para todas las fases del ciclo total de manufactura?

• ¿Se están implantando técnicas de inspección automatizada y de control de calidad,en línea, de manera apropiada?

EJEMPLO 40.5 Selección de procesos para una parte sencilla

Suponga que le piden fabricar la parte sencilla mostrada en la figura 40.6a. Primero,debemos considerar y determinar la función de la parte, los tipos de carga y ambiente alos que se someterá, las tolerancias dimensionales y el acabado superficial especificado,así como la cantidad y capacidad de producción requeridas. Para ahorrar discusiones,supóngase que la parte es redonda, tiene 125 mm (5 pulgadas) de largo y sus diámetrosmayor y menor son de 38 mm y 25 mm (1.5 y 1.0 pulgadas), respectivamente. Despuéssupóngase que debido a los requisitos funcionales (como resistencia, rigidez, dureza y re-sistencia al desgaste y a las temperaturas elevadas) esta parte se debe fabricar con metal.

¿Qué procesos de manufactura elegiría y cómo organizaría las instalaciones deproducción para manufacturar un producto de alta calidad y costo competitivo? Re-cuerde que, hasta donde sea posible, las partes se deben producir hasta su forma final,o cerca de ella (manufactura de forma neta o casi neta), utilizando un método que eli-mine en gran medida el procesamiento secundario (como maquinado, rectificado yotras operaciones de acabado), reduciendo así el tiempo total de manufactura y elcosto. Debido a que es relativamente simple, esta parte se puede manufacturar me-diante métodos como (a) fundición, o metalurgia de polvos; (b) forjado o recalcado;(c) extrusión; (d) maquinado, o (e) uniendo dos piezas separadas.

(a) (e)(b) (c) (d)

Antes Después

Unidas

FIGURA 40.6 Diversos métodos de fabricación de una parte sencilla: (a) fundi-ción o metalurgia de polvos; (b) forjado o recalcado; (c) extrusión; (d) maquinado,y (e) unión de dos piezas.


EJEMPLO 40.6 Manufactura de una parte de lámina metálica mediante métodosdiferentes

Formemos una parte sencilla, con forma de plato, a partir de una lámina metálica. Di-cha parte se puede formar colocando una pieza plana redonda de lámina metálica entreun par de matrices (dados) macho y hembra, cerrándolas mediante la aplicación de unafuerza vertical en una prensa (fig. 40.7a). Por medio de este método, al que se conoce co-mo estampado o prensado, se pueden formar partes con alta capacidad de producción.

Ahora supóngase que el tamaño de la parte es muy grande, digamos 2 m (80pulgadas) de diámetro, y que el tamaño del lote es de sólo 50 partes. Tenemos que re-considerar la operación total y hacer varias preguntas. ¿Es económico fabricar un juegode dados o matrices de 2 m de diámetro (que serían muy costosas) si la cantidad deproducción es tan baja? ¿Existen prensas con la suficiente capacidad para aceptaresas matrices tan grandes? ¿Tiene que fabricarse la parte de una sola pieza? ¿Existenmétodos alternativos de manufactura para esta parte?

Solución. Esta parte se puede fabricar soldando piezas pequeñas de metal, formadaspor otros métodos. Nótese que los grandes tanques municipales de agua y las embar-caciones se fabrican mediante este método. ¿Sería aceptable una parte manufacturadamediante soldadura para los propósitos a los que se destina, en el ambiente en el quese va a utilizar? ¿Tendrá las propiedades requeridas y la forma correcta después de lasoldadura, o necesitará procesamiento posterior?

Para la producción de forma neta, los dos procesos adecuados son la fundicióny la metalurgia de polvos, cada uno con sus propias características, necesidad de he-rramental específico, habilidad de la mano de obra y sus costos. Esta parte tambiénse puede fabricar mediante el formado en frío, en caliente o a temperatura media. Unmétodo es el recalcado (cabeceado) de una barra redonda de 25 mm (1 pulgada) dediámetro, en una matriz adecuada para formar el extremo más grande. Otra posibili-dad es la extrusión parcial directa de una barra de 38 mm (1.5 pulgadas) de diámetroy reducir su diámetro a 25 mm. Obsérvese que cada uno de estos procesos producemuy poco, o ningún desperdicio de material.

Esta parte también se puede fabricar mediante el maquinado de una barra de 38mm de diámetro para obtener la sección de 25 mm de diámetro. Sin embargo, el ma-quinado requiere mucho más tiempo que los procesos de formado, e inevitablementese desperdiciará algún material como virutas metálicas. Por otro lado, el maquinadono requiere herramental especial (a diferencia de los procesos de forma neta para losque suelen necesitarse matrices o dados especiales), y esta operación se puede efectuarcon facilidad en un torno común o en un torno CNC. Nótese que esta parte tambiénse puede fabricar como dos piezas separadas y después unirlas mediante soldadura,soldadura fuerte o con adhesivos.

Debido a las diferentes operaciones requeridas para producir materias primas,los costos no sólo dependen del tipo de material (lingote, polvo, varilla estirada, ex-trusión), sino también de su tamaño y forma. Entonces, por unidad de peso, (a) lasbarras cuadradas son más caras que las redondas; (b) la placa laminada en frío es máscostosa que la placa u hoja laminada en caliente; (c) las barras laminadas en calienteson mucho menos costosas que los polvos metálicos del mismo tipo.

Parece que (si sólo se necesitan unas pocas partes) el maquinado es el métodomás económico. Si los requisitos de cantidad y capacidad de producción son elevados,producir esta parte mediante una operación de cabeceado, o por extrusión en frío(una forma de forja cerrada o forjado en matriz cerrada), sería la opción apropiada.Si las partes superior e inferior de la pieza deben fabricarse con materiales distintos,entonces la unión sería la opción más apropiada.

40.9 Costos de manufactura y reducción de costos 1261

Esta parte también se puede fabricar mediante el formado por explosión, comose muestra en la figura 40.7b. Sin embargo, debe hacerse notar que la deformacióndel material en el formado por explosión ocurre a muy alta velocidad. En consecuen-cia, se tienen que hacer varias preguntas:

a. ¿Es capaz el material de sufrir deformación a velocidades elevadas sin fracturar-se o sin efectos dañinos en las propiedades finales de la parte formada?

b. ¿Se pueden mantener las tolerancias dimensionales y el acabado superficialdentro de límites aceptables?

c. ¿La vida de la matriz es lo suficientemente larga bajo las altas presionestransitorias generadas en el formado por explosión?

d. ¿Se puede realizar esta operación en una planta de manufactura dentro delos límites de la ciudad, o debe llevarse a campo abierto?

e. ¿La capacidad de producción es lo suficientemente alta para este tipo deproducto?

f. Aunque el formado por explosión tiene la ventaja de requerir sólo una matriz,¿es económica la operación?

Con base en esta breve discusión, se puede ver que para cada parte o componente de unproducto se necesitan métodos similares a fin de llegar a una conclusión acerca dequé proceso es el más adecuado y el más económico para los requerimientos específicos.

Matriz odado inferior

Línea de vacío

Láminametálica

Matriz odadosuperior

(a) (b)

Explosivo

Agua

FIGURA 40.7 Dos métodos para fabricar una parte de láminametálica con forma de plato: (a) prensado utilizando una matriz odado macho y hembra, (b) formado por explosión usando sólouna matriz o dado.

40.9 Costos de manufactura y reducción de costos

Para que un producto se venda con éxito, su costo debe ser competitivo con el de pro-ductos similares, sobre todo en el mercado global. El costo total de un producto constade varias categorías, como costos de materiales, de herramental, fijos, variables, de ma-no de obra directa y de mano de obra indirecta. A manera de lineamiento general paralos costos involucrados, téngase en cuenta que hemos incluido secciones sobre la econo-mía de los siguientes grupos individuales de procesos y operaciones de manufactura:parte II (fundición); parte III (laminado, forjado, extrusión, estirado, trabajo de láminasmetálicas, metalurgia de polvos, cerámicos, procesamiento de polímeros); parte IV (ma-quinado, procesamiento abrasivo, maquinado avanzado; y parte VI (soldadura y diversosprocesos de unión).


Las empresas de manufactura emplean diversos métodos de contabilidad de costos.Dependiendo de la compañía en particular y del tipo de productos fabricados, la metodolo-gía de los procesos contables puede ser compleja e incluso controvertida. Además, debido alos muchos factores técnicos y operativos, puede ser difícil y laborioso calcular factores indi-viduales de costo, y no siempre son precisos o confiables.

Es común que los sistemas de costeo (también llamados justificación de costos) in-cluyan las siguientes consideraciones: (a) beneficios intangibles de mejoras de la calidad yreducción de inventarios; (b) costos de ciclo de vida; (c) uso de máquinas; (d) costo de lacompra de maquinaria en comparación con la renta de la misma; (e) riesgos financieros com-prendidos en la implantación de sistemas altamente automatizados, y (f) nuevas tecnologíasdisponibles y su impacto en los productos.

Además, se han constituido en materia de interés los costos de un fabricante que seatribuyen de manera directa a la responsabilidad del producto y defensa por reclamaciones.Hoy en día, cada producto moderno tiene integrado un costo agregado para cubrir las posi-bles reclamaciones por responsabilidad del producto. Por ejemplo, se ha estimado que (a) lasdemandas por responsabilidad contra los fabricantes de automóviles en Estados Unidos agre-gan unos $500 dólares al costo indirecto de un vehículo, y (b) 20% del precio que pagamospor una escalera se atribuye a costos potenciales por responsabilidad del producto. A conti-nuación describimos los diferentes factores de costo más importantes en la manufactura.

Costos de materiales. En diferentes tablas a lo largo de este libro se dan algunos da-tos sobre costos. Ver también la tabla 40.1.

Costos por herramental. Éstos son costos comprendidos en la fabricación de he-rramentales, matrices o dados, moldes, modelos y plantillas y soportes fijos especialesrequeridos para fabricar un producto. Los altos costos de herramental se pueden justificaren la producción de un gran volumen de un solo artículo. También son consideraciones im-portantes la vida esperada de los herramentales y matrices y la obsolescencia (debido alos cambios de producto).

El costo del herramental se ve influido en gran medida por el proceso de producciónseleccionado. Por ejemplo, (a) el costo del herramental para la fundición a presión es mayorque el de la fundición en arena; (b) el costo del herramental en el maquinado o en el recti-ficado es mucho menor que el de la metalurgia de polvos, forjado o extrusión; (c) las he-rramientas de carburo son más costosas que las de acero de alta velocidad, pero su vida es máslarga; (d) si se va a fabricar una parte mediante rechazado, el costo del herramental para elrechazado convencional es mucho menor que el del rechazado cortante; y (e) el herramentalpara los procesos de formado con hule es menos costoso que el de los juegos de matrices(macho y hembra) utilizados para el embutido profundo y estampado de láminas metálicas.

Costos fijos. Estos costos incluyen la energía eléctrica, combustible, impuesto predial,rentas, seguros y capital (incluyendo depreciación e interés). La compañía debe pagar estoscostos sin importar si se ha fabricado o no algún producto en particular. En consecuencia,los costos fijos no son sensibles al volumen de producción.

Costos de capital. Estos costos representan la inversión en edificios, terreno, maquina-ria, herramental y equipo. Como se puede ver en la tabla 40.9, el costo de las máquinas y lossistemas puede variar mucho. En vista de los costos generalmente altos de los equipos, enparticular los de aquellos que comprenden líneas de transferencia, y celdas y sistemas flexi-bles de manufactura, las altas capacidades y cantidades de producción son fundamentalespara justificar tan grandes gastos y mantener los costos de los productos a un nivel competi-tivo, o debajo de él. Se pueden lograr menores costos unitarios (costos por pieza) mediante laproducción continua, que comprende la operación durante las 24 horas, pero sólo si la de-manda lo justifica. También es fundamental el mantenimiento del equipo para asegurar unaalta productividad. Cualquier descompostura de la maquinaria que provoque un tiempomuerto puede ser muy costosa, hasta de miles de dólares por hora.

Costos de mano de obra directa. Es el costo debido a la mano de obra directacomprendida en la manufactura (mano de obra productiva). Este costo incluye toda lamano de obra, desde la primera vez en que se manejan las materias primas hasta el mo-mento en que se termina el producto. En general, a este periodo se le denomina tiempo de


TABLA 40.9

Costos relativos para maquinaria y equipo (los costos varíanmucho, dependiendo del tamaño, capacidad, opciones ynivel de automatización y de control por computadora. Vertambién las secciones de economía en diferentes capítulos).

Brochadora M-ACabeceadoras B-MCelda y sistema de manufactura flexible A-MACentro de maquinado B -MEmbutido profundo M-AEstampado B-MEstereolitografía B-MExtrusora de polímeros B-MForjado M-AFormado con hule B-MFormado por estiramiento M-AFormado por rodillos B-MFresado B-MFresadora mandrinadora horizontal M-AFundición a presión M-AFundición de arena B-MGeneración de engranes B-AHoneado, lapeado B-MLaminado de anillos M-ALíneas de transferencia A-MAMáquina automática de tornillos M-AMaquinado por descarga eléctrica B-MMetalurgia de polvos B-MMetalurgia de polvos, HIP M-AModelado por deposición por fusión BMoldeo por inyección M-AMoldeo por inyección de polvos M-APrensa de extrusión M-APrensa mecánica B-MRechazado B-MRectificado B-ARobots B-MSoldadura por arco de tungsteno y gas BSoldadura por haz de electrones M-ASoldadura por rayo láser M-ASoldadura por resistencia por puntos B-MSoldadura ultrasónica B-MTaladradora B-MTornos B-M

Nota: B: Bajo; M: Medio; A: Alto; MA: Muy alto

piso a piso. Por ejemplo, el operario de una máquina toma una barra redonda de un depó-sito, la maquina para darle la forma de una varilla roscada y la coloca en otro depósito. Elcosto de mano de obra directa se calcula multiplicando la tarifa de la mano de obra (sueldopor hora, incluyendo prestaciones) por el tiempo que emplea el trabajador para producir laparte.

El tiempo requerido para producir una parte en particular depende no sólo de su ta-maño, forma y precisión dimensional, sino también del material de la pieza de trabajo. Porejemplo, las velocidades de corte para las aleaciones de alta temperatura son menores quepara el aluminio o los aceros al carbono. En consecuencia, el costo del maquinado de ma-teriales aeroespaciales es mucho mayor que el del maquinado de aleaciones más comunes,como las de aluminio y acero.

Los costos de mano de obra en manufactura y ensamble varía mucho de un país aotro (ver tabla I.4 en la Introducción General). No es de sorprender que muchos productos


que se compran en la actualidad, desde ropa hasta juguetes y productos de alta tecnología,se fabriquen o ensamblen en países donde los costos de mano de obra son menores. Porotro lado, las firmas localizadas en países con tarifas elevadas de mano de obra tienden aenfatizar las tareas de manufactura de alto valor agregado o de alto nivel de automatización,por lo que el componente de mano de obra del costo se reduce de manera significativa. Porejemplo, el costo de mano de obra asociado con algunos productos manufacturados en Es-tados Unidos representa sólo 5% del costo total del producto.

En las industrias intensivas en mano de obra, muchos fabricantes han intentadocambiar las actividades de manufactura a países con menores tarifas de mano de obra. Sinembargo, aunque en algunas ocasiones esto es financieramente atractivo, con frecuenciano se materializan los ahorros de costos previstos. Algunos de los costos ocultos asociadoscon la proveeduría de terceros (outsourcing) son los siguientes:

• El embarque internacional es mucho más complicado y laborioso que el embarquedoméstico. Por ejemplo, se requieren de cuatro a seis semanas para que un barco decontenedores lleve productos de China a Estados Unidos o a Europa, y este tiemposigue aumentando conforme continúan desarrollándose cuestiones de seguridad enel país de origen.

• Debido a los largos tiempos de embarque, no se pueden ejecutar los métodos demanufactura justo a tiempo y sus ahorros de costo asociados (ver sección 39.5). Deigual manera, por los largos tiempos de entrega, los programas son rígidos, las mo-dificaciones de diseño no se pueden efectuar con facilidad y las compañías tampocopueden abordar con rapidez los cambios en el mercado o en la demanda. Por lo tan-to, las empresas que adquieren productos de terceros tienden a perder agilidad y tienendificultades para seguir los métodos de manufactura esbelta.

• En los países con menores tarifas de mano de obra no se han establecido sistemaslegales suficientes. Los procedimientos que son comunes en Estados Unidos o enEuropa, como las auditorias de costo, la protección de diseños patentados y de lapropiedad intelectual, y la resolución de conflictos, son más difíciles de poner enpráctica, o de obtener, en otros países.

• Con frecuencia se espera que los pagos se basen en unidades terminadas; los índicesde defectos de los productos pueden ser importantes, de ahí que las partes requierantrabajo adicional cuando se reciben.

• Existen numerosos costos ocultos, como grandes cantidades de papeleo y documen-tación, menor productividad de los empleados existentes debido a un empeño menory a las dificultades de comunicación.

La proveeduría de terceros ha sido un aspecto de atención importante, de manera no-table en los medios de comunicación populares. Sin duda, continuará siendo una preocupa-ción esencial. Los bajos costos de mano de obra (como los de China, India, México y lospaíses de la Cuenca del Pacífico) se pueden contrarrestar efectivamente en el oeste de EstadosUnidos y en Japón mejorando la productividad, reduciendo el componente de mano de obrade los productos y mejorando aún más la eficiencia de las operaciones de manufactura. Lajustificación económica para la proveeduría de terceros es compleja y controvertida, y seencuentra fuera del alcance de este libro. Algunos textos en la bibliografía de este capítulopueden ser útiles para obtener una perspectiva apropiada del tema.

Costos de mano de obra indirecta. Estos costos se generan al dar servicio a todala operación de manufactura y consisten en actividades como la supervisión, reparación,mantenimiento, control de calidad, ingeniería, investigación y ventas; también incluyen elcosto del personal administrativo. Debido a que no contribuyen en forma directa sobre laproducción de las partes terminadas, o no se pueden cargar a un producto específico, a es-tos costos se les conoce como generales y se cargan de manera proporcional a todos losproductos. El personal comprendido en estas actividades se clasifica como mano de obrano productiva.


Costos de manufactura y cantidad de producción. Uno de los factores más sig-nificativos en los costos de manufactura es la cantidad de producción. Obviamente, lasgrandes cantidades de producción requieren altas capacidades de producción. Éstas, a suvez, exigen el uso de técnicas de producción masiva que comprenden maquinaria especial(maquinaria dedicada) y emplean proporcionalmente menos mano de obra directa, al igualque las plantas que trabajan en dos o tres turnos. En el otro extremo, las cantidades meno-res de producción significan una injerencia mayor de mano de obra directa.

Por lo común, la producción de lotes pequeños se realiza en máquinas de propósi-to general, como tornos, fresadoras y prensas hidráulicas. El equipo es versátil y se pue-den producir partes con diferentes formas y tamaños mediante cambios apropiados en elherramental. Sin embargo, los costos de mano de obra directa son altos debido a que porlo general para la operación de estas máquinas se requiere mano de obra calificada.

Para cantidades mayores (producción de lotes de capacidad medios), estas mismasmáquinas de propósito general se pueden equipar con diferentes plantillas y soportes fi-jos, o se pueden controlar mediante computadoras. Para reducir aún más los costos demano de obra, una alternativa importante son los centros de maquinado y los sistemasflexibles de manufactura. En general, para cantidades de 100,000 o más, las máquinas sediseñan para propósitos específicos y realizan una variedad de operaciones específicascon muy poca mano de obra directa.

Reducción de costos. La reducción de costos requiere un estudio sobre la forma enque se interrelacionan los costos ya descritos, utilizando los costos relativos como un pará-metro importante. Como hemos visto, el costo unitario de un producto puede variar enforma amplia. Por ejemplo, algunas partes se pueden fabricar con materiales costosos, pe-ro necesitar muy poco procesamiento, como el caso de las monedas acuñadas con oro. Enconsecuencia, el costo de los materiales en relación con la mano de obra directa es elevado.

Por el contrario, algunos productos pueden requerir varios pasos de produccióncomplejos y costosos para procesar materiales relativamente baratos, como el caso de losaceros al carbono. Por ejemplo, un motor eléctrico se fabrica con materiales un tanto ba-ratos; no obstante, la fabricación de la caja, el rotor, los rodamientos, escobillas y otroscomponentes comprende varias operaciones diferentes de manufactura. A menos que es-tén altamente automatizadas, las operaciones de ensamble de dichos productos se pue-den convertir en una parte significativa del costo total.

Hoy en día, un desglose característico aproximado de los costos de manufactura,es el siguiente:

Diseño 5%Materiales 50%Mano de obra directa 15%Gastos indirectos 30%

En la década de 1960, la mano de obra representaba hasta 40% del costo de pro-ducción. Hoy, puede ser tan sólo de 5%, dependiendo del tipo de producto y del nivel deautomatización. Obsérvese en el desglose anterior la muy pequeña contribución de la fa-se de diseño, aunque tiene la mayor influencia en la calidad y en el éxito de un productoen el mercado. Se pueden lograr reducciones de costo mediante un análisis profundo detodos los costos en los que se incurre en cada fase durante la manufactura de un produc-to. Los métodos empleados se describen con detalle en algunas de las referencias com-prendidas en la bibliografía al final de este capítulo.

En varios capítulos a lo largo de este libro hemos enfatizado las oportunidades pa-ra la reducción de costos. Entre éstas se encuentran las siguientes:

• Simplificar el diseño de la parte y el número de subensambles requeridos.• Especificar tolerancias dimensionales más amplias y permitir un acabado superfi-

cial más burdo.• Utilizar materiales menos costosos.• Investigar métodos de manufactura alternativos.• Utilizar máquinas y equipos más eficientes.


La introducción de más sistemas automatizados y de tecnología actualizada enuna instalación de manufactura es un medio obvio para reducir algunos tipos de costos.Sin embargo, se debe asumir esta estrategia con el debido cuidado y sólo después de unprofundo análisis de costo-beneficio, que requiere la alimentación confiable de datos yla consideración de los factores técnicos y humanos involucrados. Se pueden implantartecnologías avanzadas (que pueden ser muy costosas) sólo después de un análisis com-pleto de los factores más obvios de costo, conocido como rendimiento sobre inversión(ROI, por sus siglas en inglés).

Sin duda habrá notado que (para un periodo) los precios de algunos productos(como calculadoras, computadoras y relojes digitales) han disminuido mucho, mientrasque los precios de otros artículos (como casas y libros) se han incrementado. Estas ten-dencias son en parte el resultado del inevitable impacto de la maquinaria y operacionescontroladas por computadora en todos los aspectos del diseño y la manufactura de unproducto. También son el resultado de los cambios en los costos de diversos componentesa lo largo del tiempo, incluyendo los de mano de obra, maquinaria, competencia domés-tica o nacional e internacional, y tendencias económicas mundiales (como oferta y de-manda, tasas de cambio de divisas y aranceles).

40.9.1 Análisis del valorLa manufactura agrega valor a los materiales al convertirlos en productos discretos yvenderlos. Debido a que este valor se agrega en etapas individuales durante la creaciónde un producto, es importante la utilización del análisis del valor (también llamado in-geniería de valores, control de valores y administración de valores). El análisis del valores un sistema que evalúa cada paso en el diseño, materiales, procesos y operaciones ne-cesarias para manufacturar un producto que realiza todas las funciones para las que fuecreado, y que lo hace al menor costo posible. A lo largo de este capítulo hemos descritolas consideraciones importantes en cada paso del análisis del valor.

Se establece un valor monetario para cada uno de dos atributos del producto: (a) elvalor de uso, que refleja las funciones del producto, y (b) el valor de estima, o de prestigio,que refleja el atractivo del producto que hace que su posesión sea deseable. Entonces, elvalor de un producto se define como:

(40.1)

Por ende, la meta del análisis del valor es obtener el máximo desempeño por costo unitario.En general, el análisis del valor consiste en las siguientes seis fases:

1. Fase de información: para reunir datos y determinar costos.

2. Fase de análisis: para definir funciones e identificar áreas de problemas, así comode oportunidades.

3. Fase de creatividad: para buscar ideas a fin de responder a los problemas y oportu-nidades, sin juzgar el valor de estas ideas.

4. Fase de evaluación: para seleccionar las ideas a desarrollar e identificar los costosimplícitos.

5. Fase de implantación: para presentar hechos, costos y valores a la gerencia de lacompañía; para desarrollar un plan y motivar la acción positiva, todo esto a fin deobtener un compromiso de los recursos necesarios para acometer la tarea.

6. Fase de revisión: en la que se examina todo el proceso de análisis del valor y se rea-lizan los ajustes necesarios.

El análisis del valor es una actividad interdisciplinaria importante y que englobatodo. Es común que la coordine un ingeniero de valores, y que la efectúen diseñadores,ingenieros, control de calidad, compras, personal de ventas y gerentes de manera conjunta.Para que sea efectivo un análisis del valor, debe contar con el apoyo total de la alta gerenciade la compañía. La implantación del análisis del valor en la manufactura produce bene-ficios como: (a) reducción significativa de los costos; (b) disminución de los tiempos de

Valor =

Función y desempeño del producto

Costo del producto


entrega; (c) mejor calidad y desempeño del producto; (d) reducción del tiempo de manu-factura del producto, y (e) disminución del tamaño y peso del producto.

Un ejemplo de la reducción de peso de un producto es el desarrollo del sistema defrenado antibloqueo (ABS, por sus siglas en inglés) para aplicaciones automotrices. En1989, el peso característico de un ABS de la marca Bosch era de 6.2 kg (13.6 libras).En 2001, su peso era de 1.8 kg (4 libras), lo que representaba una reducción de 70%,que también ayudó a reducir el peso del automóvil. Obsérvese que, ya que el peso se rela-ciona con el volumen del producto, y considerando su función, reducir el tamaño indicaque aumenta la relación de área de superficie a volumen. En consecuencia, las característi-cas (como acabado superficial e integridad superficial) se vuelven importantes respecto desus posibles efectos en el desempeño del producto.

ESTUDIO DE CASO 40.1 Ingeniería concurrente para contenedoresde solución intravenosa

Baxter Healthcare manufactura más de un millón de contenedores de solución intra-venosa (tipo IV) cada día en Estados Unidos, suministrando terapias críticas en laindustria del cuidado de la salud. Reconociendo que las vidas de los pacientes dependende la entrega segura de soluciones médicas, la introducción de productos nuevos omejorados está altamente regulada por las normas internas de la compañía y las enti-dades externas gubernamentales.

Un proceso de desarrollo de productos bien definido proporciona el marco detrabajo para satisfacer consistentemente los requisitos regulados de calidad, confiabi-lidad y diseño de manufactura. Lo más importante es que un ambiente de ingenieríaconcurrente agiliza el proceso de desarrollo para minimizar el costo de desarrollo ytiempo de colocación en el mercado.

En la década de 1990, la compañía concentró sus esfuerzos de desarrollo en unnuevo grupo de materiales para contenedores flexibles tipo IV. Se esperaba que el siste-ma contenedor que se estaba desarrollando fuera más amigable con el ambiente, com-patible con una mayor variedad de nuevos medicamentos críticos para la atenciónmédica, excediera todos los requisitos de calidad y se mantuviera con un costo efectivo.Algunos de los aspectos clave de diseño mostrados en la tabla 40.10 permitirían que elproducto fuera seguro para los pacientes y mantuviera su viabilidad económica.

El equipo matriz

Debido a la gran cantidad de requerimientos, Baxter formó un equipo multifuncionalde más de 25 personas. Como indicaban los requisitos y las metas, los miembros delos equipos de ventas, manufactura y desarrollo trabajaron codo a codo con los espe-cialistas en ciencia de materiales, asuntos reglamentarios, asuntos clínicos, toxicología,estabilidad química y aseguramiento de la esterilidad. Los miembros del equipo delproducto reconocieron su responsabilidad en el éxito o fracaso de los esfuerzos dediseño del producto.

El equipo activo

Todos los miembros del equipo contribuyeron a definir los requerimientos maestrosdurante la fase de conceptualización del producto. Todos guiaron y comunicaron lasactividades de prueba y desarrollo dentro de sus respectivos campos a todo el equipodurante la fase de desarrollo. Todas las disciplinas ofrecieron y aceptaron la crítica de larevisión de sus colegas para los diseños del producto o del proceso en los pasos impor-tantes de desarrollo. Todos se aseguraron de que los diseños del producto, los métodosde evaluación de calidad y las técnicas de fabricación se transfirieran de manera efi-ciente a las plantas designadas durante la fase de implantación. El equipo del productoevitó las costosas iteraciones de diseño y revisiones y minimizó la duplicación de es-fuerzos manteniendo un equipo activo, matricial, a lo largo del proceso.


El equipo virtual

Muchos miembros del equipo laboraban en plantas de manufactura o en centros dedesarrollo a lo largo de la zona norte de Illinois y en el resto de Estados Unidos. Pornecesidad, las juntas del equipo promovieron la utilización de los recursos de telecon-ferencia y videoconferencia, que también minimizaron los gastos de viaje. El acceso alcorreo electrónico proporcionó la comunicación rápida y amplia de los asuntos y re-soluciones pendientes. Se desarrolló una red interna (intranet) para toda la compañíaa fin de compartir documentos e impresiones de diseño, lo que aseguró que todas laslocaciones usaran los avances sobre proyectos más recientes. El equipo personalizólas tecnologías emergentes de comunicaciones a fin de promover el desarrollo concu-rrente de nuevos materiales, procesamiento y tecnologías de fabricación.

Artículos terminados

El esfuerzo de ingeniería de los equipos matriz, activo y virtual produjo la presenta-ción de un producto en tres años. Se desarrollaron nuevos materiales y componentesque cumplían todos los requisitos del producto y del proceso, y que finalmente satis-ficieron las necesidades de los pacientes. El nuevo producto era transparente, y losprofesionales en el cuidado de la salud continuaron utilizando su experiencia y sustécnicas largamente aplicadas. Se optimizó la disposición del producto; ahora se po-día disponer de los materiales con seguridad o podían reciclarse. Se mantuvo una altaconfiabilidad y satisfacción del usuario. Los nuevos materiales eran compatibles conun amplio arreglo de formatos de fármacos empacadas en los contenedores tipo IV.De hecho, el éxito del equipo será medido por en número de productos adicionales in-troducidos en los siguientes años.

Fuente: Cortesía de K. Anderson, Baxter Healthcare Corporation, y S. Petronis, Zimmer Inc. (antesde Baxter Healthcare Corporation).

Proporcionar vida física y química deanaquel de hasta varios años sincomprometer la solución.

Permitir la edición y mezcla de diversassoluciones de drogas o medicamentos enel hospital o en farmacias alternas

Proporcionar una superficie para imprimiretiquetas a prueba de borrado,desprendimiento o manchado.

Proporcionar una superficie para laadhesión de diversas etiquetas sensibles a lapresión a temperatura ambiente,refrigerada y elevada.

Soportar la presurización cuando secoloca un dispositivo de infusión(cinturón) en el contenedor para controlarla dosificación de solución al paciente.

Mantener la compatibilidad con losdispositivos de manejo y de dosificación.

Implantar el producto nuevo con el equipoy el personal de planta existente

Permitir la manufactura del producto acapacidades de hasta un millón al día,sin celdas adicionales de producción.

Mantener la producción a más de 60 contenedores por minuto por máquina.

Mantener las velocidades de impresión yllenado a más de 120 por minuto.

Soportar las temperaturas, presiones y tiempos de esterilización.

Permitir el empaque en cajas que proporcionen la mayor densidad de cargaen tarima (pallet).

Soportar el embarque aéreo y terrestre y através de climas extremos, en áreas tandiversas como Arizona y Alaska.

TABLA 40.10

Aspectos de diseño para contenedores de solución intravenosa

Requisitos de producto del contenedor Requisitos de producto del contenedor

Bibliografía 1269

RESUMEN

• Independientemente de cuán bien cumpla un producto sus especificaciones de diseñoy normas de calidad, también debe satisfacer criterios económicos para poder sercompetitivo en el mercado doméstico y global. Se han establecido lineamientos a finde diseñar productos para la producción económica.

• Los factores que deben considerarse en el diseño y la manufactura de los productosincluyen las características de los materiales, la expectativa de vida del producto y laingeniería del ciclo de vida.

• La sustitución de materiales, la modificación del diseño del producto y el relajamientode los requisitos de tolerancia dimensional y acabado superficial son métodos impor-tantes para reducir costos.

• El costo total de un producto incluye varios elementos, como el costo de los materiales,herramental, mano de obra y costos indirectos. Los costos de los materiales se puedenreducir mediante la selección cuidadosa, sin comprometer el diseño y los requisitos deservicio, las funciones, las especificaciones y las normas para obtener una buena calidaddel producto.

• En general, los costos de mano de obra se están convirtiendo en un porcentaje cadavez menor de los costos de producción, pero para contrarrestar los sueldos menoresde otros países, se pueden reducir más mediante operaciones de manufactura alta-mente automatizadas y controladas por computadora.

TÉRMINOS CLAVE

Análisis costo-beneficio

Análisis del valor

Bases de datos inteligentes

Cantidad de producción

Cantidad económica de orden

Capacidad de producción

Capacidades de proceso

Costos de capital

Costos fijos

Costos relativos

Desperdicio

Gastos indirectos

Justificación de costo

Mano de obra directa

Mano de obra indirecta

Mano de obra no productiva

Máquinas dedicadas

Proveeduría de terceros (Outsourcing)

Reducción de costos

Rendimiento sobre inversión

Tiempo de entrega

Tiempo muerto

Tiempo piso a piso

Valor

BIBLIOGRAFÍA

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Problemas cualitativos 1271

PREGUNTAS DE REPASO

40.1 Describa las principales consideraciones compren-didas en la selección de materiales para productos.

40.2 ¿Por qué es importante el conocimiento de las for-mas de materiales disponibles comercialmente?

40.3 ¿Qué se entiende por “propiedades de manufac-tura” de los materiales? Dé tres ejemplos que demuestrenla importancia de esta información.

40.4 ¿Por qué la sustitución de materiales es un aspectoimportante de la ingeniería de manufactura? Dé cincoejemplos de su propia experiencia u observaciones.

40.5 ¿Qué factores comprende la selección de los proce-sos de manufactura? Explique por qué son importantes.

40.6 ¿Qué significa “capacidades de los procesos demanufactura”? Seleccione cuatro procesos diferentes y es-pecíficos de manufactura y describa sus capacidades.

40.7 ¿Es importante la cantidad de producción en laselección del proceso? Explique su respuesta.

40.8 Describa los diferentes costos comprendidos en lamanufactura.

40.9 Explique la diferencia entre el costo de mano deobra directa y el costo de mano de obra indirecta.

40.10 Liste las ventajas y desventajas de las actividadesde manufactura “outsourcing” en los países con bajos cos-tos de mano de obra.

40.11 Diga lo que entiende por los siguientes términos:(a) expectativa de vida; (b) ingeniería de ciclo de vida, y (c)manufactura sustentable.

40.12 ¿Cómo se define el valor? Explique las razonespara ello.

40.13 ¿Cuáles son los factores comprendidos en la justi-ficación del costo?

40.14 ¿Cuál es el significado y la importancia del término“rendimiento de inversión”? Explique su respuesta.

PROBLEMAS CUALITATIVOS

40.15 Explique por qué el valor del desperdicio genera-do en un proceso de manufactura depende del tipo de ma-teriales y procesos involucrados.

40.16 Comente la magnitud e intervalos del desperdiciomostrado en la tabla 40.6 y las razones para ello.

40.17 Describa sus observaciones en relación con la in-formación dada en la tabla 40.5, y las razones para ello.

40.18 Además del tamaño de la máquina, ¿qué facto-res están comprendidos en los intervalos de precios encada categoría de máquinas relacionadas en la tabla40.9?

40.19 Explique cómo se pueden justificar los altos cos-tos de algunas de las máquinas indicadas en la tabla 40.9.

40.20 Con base en los temas cubiertos en este libro, ex-plique las razones de las posiciones relativas de las curvasmostradas en la figura 40.2.

40.21 ¿Qué factores implica la forma de la curva mos-trada en la figura 40.4? Explique su respuesta.

40.22 ¿Siempre es deseable comprar material que se en-cuentre cerca de las dimensiones finales de una parte amanufacturar? Explique por qué y dé algunos ejemplos.

40.23 ¿Qué curso de acción tomaría si el suministro dematerias primas seleccionadas para una línea de produc-tos se volviera incierto?

40.24 Describa los problemas potenciales implícitos enla reducción de la cantidad de materiales en los productos.Dé algunos ejemplos.

40.25 Explique las razones por las que existe un fuertedeseo en la industria de poner en práctica la manufactura deforma casi neta.

40.26 Calcule la posición de los siguientes procesos en lafigura 40.5: (a) rectificado sin centros; (b) maquinadoelectroquímico; (c) fresado químico, y (d) extrusión.

40.27 En la sección 40.9 existe un desglose de costos enel ambiente actual de manufactura, que sostiene que loscostos de diseño sólo contribuyen con 5% del costo total.Explique por qué es razonable esta cifra.

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SÍNTESIS, DISEÑO Y PROYECTOS

40.28 Como puede ver, la tabla 40.8 sobre procesos de ma-nufactura sólo incluye metales y sus aleaciones. Con base enla información dada en este libro y en otras fuentes, elaboreuna tabla similar para los materiales no metálicos, incluyen-do cerámicos, plásticos, plásticos reforzados y materialescompósitos con matriz metálica y con matriz cerámica.

40.29 Revise la figura I.4 en la Introducción General ydiga lo que piensa en relación con los dos diagramas es-quemáticos. ¿Le gustaría hacer alguna modificación, y deser así, cuál sería?

40.30 A través de los años, numerosos productos de con-sumo se han vuelto obsoletos (o casi, como los teléfonos demarcación con disco, los sintonizadores de radio analógi-cos, los tornamesas y los tubos de vacío), mientras que mu-chos nuevos productos han entrado al mercado. Haga unalista completa de productos obsoletos y una de productosnuevos. Comente las razones de los cambios que observa.Discuta cómo han evolucionado diferentes métodos de ma-nufactura para producir los nuevos productos.

40.31 Diga cómo reduciría cada uno de los costos implí-citos en la manufactura de productos.

40.32 Sugiera cómo reducir la dependencia del tiempode producción en el acabado superficial (mostrado en lafig. 40.5).

40.33 Existe un periodo entre el momento en que secontrata a un empleado y el momento en que termina sucapacitación, durante el cual se le paga sueldo y recibeprestaciones, pero no produce. ¿Dónde se colocarían di-chos costos entre las categorías dadas en este capítulo?

40.34 Seleccione tres diferentes productos y realice unainvestigación de los cambios en sus precios en los últimosdiez años. Discuta las posibles razones para los cambios.

40.35 En la figura 2.1a se muestra la forma de un espéci-men de tensión característico, que tiene sección transver-sal redonda. Suponiendo que el material de inicio es unavarilla redonda y sólo se necesita un espécimen, analice losprocesos y la maquinaria mediante los cuales se puede fa-bricar el espécimen, incluyendo sus ventajas y limitacionesrelativas. Describa cómo se puede cambiar el proceso queseleccionó para obtener una producción económica al au-mentar el número de especímenes requeridos.

40.36 Diga lo que piensa en relación con la sustituciónde latas de aluminio para bebidas por latas de acero.

40.37 En la tabla 40.4 se relacionan varios materiales ysus formas comercialmente disponibles. Póngase en con-tacto con proveedores de los siguientes materiales, amplíela lista para incluir (a) titanio; (b) superaleaciones; (c) plo-mo; (d) tungsteno, y (e) metales amorfos.

40.38 Seleccione tres diferentes productos que por lo co-mún se encuentran en las casas. Manifieste sus opiniones

sobre: (a) qué materiales se usaron en cada producto; (b)por qué se eligieron; (c) cómo se manufacturaron los pro-ductos; (d) por qué se utilizaron esos procesos en particular.

40.39 Inspeccione los componentes bajo el cofre de suautomóvil. Identifique varias partes que se hayan produci-do en condiciones de forma neta o casi neta. Comente losaspectos de diseño y producción de estas partes, y sobre laforma en la que el fabricante logró obtener la condición deforma casi neta.

40.40 Comente las diferencias (en su caso) entre los dise-ños, los materiales y los métodos de procesamiento y en-samble utilizados para fabricar productos (comoherramientas de mano y escaleras) para uso profesional ypara consumo.

40.41 En la figura 23.1 se muestran las capacidades dealgunos procesos de maquinado. Inspeccione las diversasformas de las partes producidas y sugiera procesos alter-nativos de manufactura. Comente las propiedades de losmateriales que influirían en sus sugerencias.

40.42 Si las dimensiones de las partes del problema40.38 fueran: (a) dos veces más grandes, o (b) cinco vecesmás grandes, ¿qué tan diferente sería su respuesta? Expli-que sus repuestas.

40.43 En la figura 6.1 se muestra la sección transversalde un motor de propulsión. Con base en los temas cubier-tos en este libro, seleccione cualesquiera tres componentesindividuales de dicho motor y describa los materiales yprocesos que utilizaría para fabricarlos en cantidades de,digamos 1000. Recuerde que estas partes se deben manu-facturar a un costo mínimo, pero deben mantener su cali-dad, integridad y confiabilidad.

40.44 Discuta las concesiones implícitas al seleccionarentre dos materiales para cada una de las aplicaciones quese relacionan a continuación:

a. Clips para papel, de acero o de plástico.

b. Cigüeñales forjados o fundidos.

c. Bielas forjadas o de metalurgia de polvos.

d. Placas para interruptores de luz, de plástico o de lá-mina metálica.

e. Múltiples de admisión metálicos o de plástico.

f. Tapones de ruedas de lámina metálica o fundidos.

g. Clavos de acero o de cobre.

h. Mangos para martillos, de madera o metálicos.

i. Sillas de jardín de acero o de aluminio.

También discuta las condiciones comunes a las que se so-meterían estos productos durante su uso normal.

Síntesis, diseño y proyectos 1273

40.45 Discuta el proceso (o procesos) de manufacturaadecuado para fabricar los productos relacionados en elproblema 40.44. Explique si requerirían operaciones adi-cionales (como recubrimiento, deposición, tratamientotérmico o acabado). De ser así, haga recomendaciones ydé las razones para ellas.

40.46 Inspeccione algunos productos en su hogar y des-criba cómo haría para separarlos rápidamente y reciclarsus componentes. Comente su diseño en relación con lafacilidad con la que se pueden desensamblar.

40.47 ¿Qué productos conoce que sean difíciles de de-sensamblar para propósitos de reciclaje?

40.48 Las cajas de conexión del cableado eléctrico sepueden conseguir en lámina metálica galvanizada, o enplástico moldeado por inyección (en colores como blancoo azul). Considerando todas sus diversas características,diga lo que piensa sobre cómo decidiría cuál comprar yexplique por qué.

40.49 Discuta los factores que influyen en la elección en-tre cada uno de los siguientes pares de procesos:

a. Fundición en arena contra fundición a presión de lacaja de un motor eléctrico fraccionario.

b. Maquinado contra formado de un engrane grande.

c. Forjado contra la producción de metalurgia de pol-vos de un engrane.

d. Fundición contra estampado de una sartén de lámi-na metálica.

e. Fabricación de mobiliario para exteriores de tubosde aluminio contra hierro fundido.

f. Soldadura contra fundición de estructuras de má-quinas herramienta.

g. Laminado de roscas contra maquinado de un pernopara una aplicación de alta resistencia.

h. Termoformado de un plástico contra moldeo de untermofijo para fabricar un aspa para un ventiladordoméstico.

40.50 a 40.58 revise los productos ilustrados a continua-ción y diga lo que piensa sobre: (a) los materiales que sepodrían utilizar, su propia selección y las razones paraello; (b) los procesos de manufactura y por qué los selec-cionaría, y (c) con base en su revisión, cualquier cambiode diseño que le gustaría recomendar.

(c) Perico

(d) Llave Steelson

(a) Pinzas de punta (b) Desarmador

Plano

De cruz (Phillips)

FIGURA P40.50


(a) Rin de acero (b) Rin de rayos (c) Rin de aluminiofundido

FIGURA P40.51

Maza

Resortes de retorno

Cilindro de rueda

Revestimientode freno

Varillaempujadora

Resortede ajuste deretención

Palanca deaccionamientode freno deestacionamiento

Resorte y sujetadorde mantenimiento

(a) Freno de tambor (b) Freno de disco

Balata defreno

Tuerca estrellade ajuste

Caliper

Pastillasde freno

Discoo rotor

Mazadel eje

FIGURA P40.52


Faldón del pistón

Corona del pistón

Biela

Buje

Anillo de presión

PasadorAnillo de control

de aceite

Segundo anillode compresión

Anillo superior de

compresión

Pernos

FIGURA P40.53

(a) Interruptor (b) Caja de lámina metálica (c) Caja de plástico

FIGURA P40.54


Maneral

Espita

Cuerpo del grifo

Pieza de fijación

Tuerca de seguro

(a) Grifo tipo bola (Delta) (b) Válvula de globo

Sellos y resortes

Aereador

Alojamiento del aereadorAnillo de ajuste

Tapa

Leva

Rondana

Ensamble de bola

Anillos “O”

Empaque

Líneas de

suministro

Tuerca de suministro

RondanaAsiento de

la válvula

FIGURA P40.55

Rodamiento de rodillos

Tornillos


Rondana

Rondana

Tapas deescobillas

Husillo con engrane

Mango

Rodamiento de agujas

Engrane intermedio


Rodamiento de bolas

Caja de engranes

Anillo de retención

Tornillo

BroqueroLlave del broquero

Espaciadordel broquero

Carcasa

Placa de logotipo

Resorte conescobilla

FIGURA P40.56


Espaciador inferior

Tope del espaciador inferior

Compresor con cuchilla

Resortedelcompresor

Pasador desujecióny anillo

Ensamble del canal de soporte

Ensamble de varilla de empuje

Tornillotraseroy tuerca

Seguro de la manija

Resorte de retorno de la manija

Agarraderade plástico

Ensamblede manija y gatillo

Remache del gatillo

Gatillo

BujeCubierta delantera

Tope deespaciadorsuperior

Espaciadorsuperior

Pasadorde sujeción y anillo

FIGURA P40.57

(a) (b)

Freno

FIGURA P40.58

manuf ing tecn c40

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