Conceptos Clave en Ingeniería y Manufactura: Efectividad, Eficiencia y Procesos de Producción

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

Ingeniero: (de ingenio, máquina o artefacto), persona que profesa o ejerce la ingeniería, la que discurre con ingenio las trazas y modos de conseguir o ejecutar la cosa.

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

Proceso: Es el conjunto de actividades relacionadas y ordenadas con las que se consigue un objetivo determinado. En la ingeniería, el concepto de proceso adquiere gran importancia debido a que la práctica de esta carrera requiere planear, dirigir, integrar, organizar y controlar. Debemos considerar los procesos de producción como una herramienta para el diseño y la definición de planes, programas y proyectos. El diseño, integración, organización y control de sistemas, la optimización del trabajo, la evaluación de resultados, el establecimiento de normas de calidad, el control y aumento de la eficiencia, etc.

Manufactura: 1. Obra hecha a mano o con el auxilio de máquina y lugar donde se fabrica. 2. Conjunto de actividades organizadas y programadas para la transformación de materiales, objetos o servicios en artículos o servicios útiles para la sociedad. El ingeniero debe observar la manufactura como un mecanismo para la transformación de materiales en artículos útiles para la sociedad; también se considera como la estructuración y organización de acciones que permiten a un sistema lograr una tarea determinada.

Clasificación de los Procesos de Manufactura:

De manera general, los procesos de manufactura se clasifican en 3 grandes grupos:

1. Procesos que cambian la forma del material: Dentro de esta categoría se encuentran la fundición o moldeo, las conformaciones por deformación en frío y en caliente, y la metalurgia de polvos.
2. Procesos que provocan desprendimiento del material: Maquinaria para la conformación por arranque de viruta y maquinaria no convencionales, como explosivos.
3. Procesos para acabar superficies: Por desprendimiento de partículas, por pulido y por recubrimiento.

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

Criterios de Producción con Fines de Beneficio Económico:

1. Los costos deben ser aceptables y competitivos.
2. La rentabilidad debe dar ganancias superiores a las que proporciona el banco.
3. Calidad solo la necesaria, sin inversiones innecesarias.

Criterios de Producción con Fines de Efectividad:

1. Proyecto: Deben ser diseños funcionales que permiten la manufactura calculada y controlada.
2. Materiales: Con la selección de los materiales adecuados y económicamente aceptables.
3. Procesos de manufactura: Son los sistemas para la transformación de los materiales con la calidad adecuada, considerando las necesidades del cliente de manera eficiente y económica.
4. Factor humano: Que abarca la motivación, trato, facilidad, capacitación y seguridad.
5. Proceso administrativo: Comprende la planeación, la integración, la organización, la dirección y el control.

Efectividad y Eficiencia: Se considera efectividad a la estimación del cumplimiento de objetivos, fines o funciones de un sistema o proceso sin que exista evaluación o estándares predeterminados, y se considerará eficiencia a la relación numérica que existe entre la cantidad lograda por un sistema y la máxima cantidad que dicho sistema puede lograr.

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

Sistemas Productivos: La fabricación se realiza en el entorno de los sistemas productivos de diferentes características, que están equipados con un conjunto de elementos interactivos destinados a la obtención del objetivo prefijado. Estos elementos productivos pueden estar equipados en una única planta o en un subconjunto de esta, o distribuidos en varias plantas o departamentos.

Organización de los Sistemas Productivos: Todo sistema productivo está formado por una entrada de materias primas, incluyendo energía, y una salida de productos. Entre estos dos extremos existen flujos de materiales que van siendo sometidos a una serie de procesos que los van transformando mediante los elementos que forman el sistema, como maquinaria, transporte, almacenamiento, etc., hasta adquirir las propiedades especificadas en el diseño.

Flujo de Proceso: Es habitual clasificar los procesos de fabricación mediante el tipo de flujo que siguen los materiales a lo largo de todo el proceso. Se consideran:

• Sistemas Productivos Continuos: También llamados de proceso, son aquellos en los que la ruta que siguen los materiales a lo largo del proceso es invariable. Se usan pocas materias primas y los productos obtenidos son pocos o únicos, y se contabilizan en peso (toneladas) o en volumen (metros cúbicos). Son instalaciones de alto coste, rígidas (no admiten variaciones en el proceso) y muy automatizadas. Características de sistemas de producción de productos semielaborados o commodities, por ejemplo: la siderurgia, el refino del petróleo, fabricación de cemento, papel, elementos no elaborados como harina o azúcar, etc.
• Sistemas Productivos Discretos: Son conocidos también como taller y están orientados a la fabricación de una gran variedad de distintos productos, ya que se caracterizan por su flexibilidad tanto de maquinaria como de la organización. Se organizan por departamentos como el mecanizado, tratamiento, montaje, etc., y son procesos difícilmente automatizables. Los productos se contabilizan en piezas o unidades, siendo su número normalmente bajo. La gran variedad de productos y de materia prima usada determina uno de los mayores problemas de estos sistemas, que es la coordinación logística.
• Sistemas Combinados: Aunque en la práctica pueden existir sistemas de taller o de proceso continuo puros, la mayoría de los sistemas productivos se sitúan entre los dos. Por un lado, en el extremo más cercano a los continuos están los sistemas de montaje, que suelen utilizarse en la fabricación de automóviles y electrodomésticos, y están basados en cadenas de montaje más o menos automatizadas. Son sistemas esencialmente rígidos, pero el actual uso de la informática y la robótica ha permitido ampliar su flexibilidad de un modo notable. Por otra parte, en el extremo más cercano a los procesos de taller se encuentran los sistemas de fabricación por lotes, productos que se fabrican en paquetes de un número limitado de unidades que pueden ir desde algunas decenas (por ejemplo, en los sectores aeroespacial o ferroviario) hasta algunos cientos (por ejemplo, equipos de electrónica y maquinaria industrial).

La Fabricación Flexible: Es la tendencia actual en la fabricación de bienes de consumo que sustituye progresivamente los conceptos previos de planificación de la producción, entendiéndose como tal la fabricación basada en la estimación de cifras de venta a largo plazo y de producción en serie en la acepción que se refiere a la fabricación continua de grandes lotes. Se trata de abastecer la demanda mediante la fabricación de lotes lo más pequeños posible, basados en las ventas realizadas o previsibles en un corto plazo (mensual, semanal, diario, etc.). Esto permite ahorros financieros y de capital inmovilizado en materia prima, personal, equipamiento y almacenaje. En estos procesos, los equipos controlados por ordenadores (CNC) y la organización de la fabricación en células flexibles han hecho posible conjugar flexibilidad con una buena productividad.

Fase, Subfase y Operación: La organización de los procesos de fabricación se basa en la subdivisión de estos en una secuencia lógica y adecuada a los fines perseguidos. Es habitual usar la siguiente secuencia:

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

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

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

1. Diseño del producto: Engloba requerimientos funcionales, demanda de mercado, ciclo de vida y previsión de futuras modificaciones.
2. Selección de materiales: Engloba propiedades mecánicas y físicas, propiedades geométricas y de variación, fiabilidad del suministro y costes de los materiales.

Definición del Proceso: Posibilidades del proceso, influencia de propiedades, volumen de producción y nivel de automatización, tipo de montaje y coste final.

Tiempo de Fabricación: La fabricación involucra una serie de etapas que consumen un determinado tiempo. El tiempo total para la fabricación de una unidad de producto se denomina tiempo unitario de fabricación. Para que el precio de un producto sea competitivo, es prioritario minimizar en lo posible este valor. Podemos distinguir los siguientes componentes:

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

Precisión en la Industria: El gran desarrollo industrial en los últimos 2 siglos ha sido posible gracias a la gran cantidad de procesos fabricados con calidad y a un precio aceptable. Se ha abandonado el proceso artesanal en el que una persona o muy pocas realizaban un proceso complejo en todos sus aspectos y se ha dado paso a un proceso de fabricación en serie donde un operario fabrica multitud de piezas. Esta forma de producción impuesta por el factor económico ha creado la necesidad de intercambio para que el montaje de un mecanismo complejo pueda realizarse a partir de cualquier conjunto de sus piezas componentes y pueda sustituirse una o varias de ellas sin fallos en el conjunto. La consecución de estos objetivos, la obligación de aumentar el control de calidad en la fabricación, pese al elevado coste económico que supone, es un aspecto de este control en la normalización para homogeneizar criterios de diseño, el empleo de tolerancias para conseguir los correspondientes ajustes y la verificación sistemática de las máquinas, piezas y herramientas mediante el empleo de calibres durante los procesos de fabricación. Por último, la comprobación final de los mecanismos y los instrumentos de medida para asegurar que las piezas obtenidas por distintos aparatos son correctas y, por tanto, intercambiables. Además de conseguir la intercambiabilidad, el desarrollo técnico ha conducido a conseguir precisiones cada vez más estrechas. Para estos factores, resulta primordial el control de las piezas a través de técnicas de medición, lo cual ha llegado al orden de la milésima de milímetro y trae consigo la aplicación de técnicas muy específicas. En la palabra control se engloba un conjunto amplísimo de operaciones a partir de cuyos resultados se dictaminará sobre la aceptación o rechazo del producto de acuerdo con la calidad exigida. Un grupo de operaciones de importancia primordial en la fabricación es el control metrotécnico, cuya realización se encarga la metrotecnia, que es la metrología aplicada a la técnica. Así como la metrología es esencialmente la ciencia de la medida en su más amplio sentido, la metrotecnia se ocupa con preferencia de los problemas dimensionales, orientando su tarea en 2 vertientes: 1. En la que se mide, es decir, mediante instrumentos adecuados se obtiene el valor numérico de las cotas; o la otra, mediante comparadores o calibres, establecer comparación con prototipos o sistemas que las representen para comprobar si sus dimensiones están o no en el campo de tolerancias establecido.

El Moldeo, también llamado Fundición o Colada: Es un proceso de conformación basado en la fusión de los metales. Consiste en una serie de operaciones mediante las cuales se obtiene un hueco o molde de arena, metal o material refractario que reproduce la forma de la pieza que se desea fabricar y en la cual se vierte el metal fundido, dejando enfriar hasta solidificar totalmente. Como proceso tecnológico, su principal ventaja consiste en que con su ayuda se pueden fabricar con facilidad y economía piezas muy complicadas como: bloques de cilindros, culatas de motores de explosión, bancadas de herramientas, etc., que son muy difíciles o imposibles de obtener por otros métodos. Permite además el empleo de metales y aleaciones que no son aptos para el conformado por deformación o soldadura, como por ejemplo la fundición gris.

Operaciones Fundamentales de la Conformación:

Para realizar este conformado son necesarias 3 operaciones fundamentales:

1. Operaciones de fusión: La fusión de metales y aleaciones se realiza en distintos tipos de hornos, cada uno de los cuales es adecuado para cada metal o aleación a temperaturas comprendidas entre ciertos límites, mayores que la temperatura mínima para que el metal fundido tenga fluidez y menores que la temperatura máxima para evitar el quemado del metal y la pérdida del mismo por vaporización o oxidación.
2. Operaciones de moldeo y desmoldeo: Comprende en primer lugar la preparación del molde, para lo cual hay que hacer la reproducción de la pieza que se desea fabricar, que se llama modelo. Después se coloca este modelo en una caja de moldeo, se llena de arena y se apisona fuertemente. Se retira el modelo posteriormente y queda el hueco de la pieza a reproducir. En este molde se vierte el metal fundido en la operación que se llama colada, y una vez enfriado el metal, se abre o rompe el molde y se saca la pieza. Esta operación se llama desmoldeo.
3. Operaciones de acabado: Se procede a limpiar de arena las piezas y a romper los conductos por donde se ha vertido el metal y que han quedado adheridos a la pieza, quedando esta totalmente terminada o lista para el mecanizado posterior. Los metales y aleaciones aptas para ser conformadas por fundición son hierro, cobre, aluminio, magnesio, zinc, sus aleaciones y aleaciones antifricción. Aunque teóricamente se puede moldear cualquier metal, normalmente solo se moldean los más adecuados para ser conformados por este proceso, y existen incluso aleaciones concebidas especialmente para ello, como casi todas las de cobre.

Moldeo en Arena: Desde tiempos prehistóricos se han usado moldes de arena o mineral. Las operaciones básicas no han cambiado; simplemente se ha aplicado maquinaria para hacer las tareas difíciles y, aunque se automatice el equipo, los conceptos básicos no han cambiado. Además de ser el método más antiguo, sigue siendo el más usado y el más perjudicial para la salud. En este proceso se llama molde a la cavidad que reproduce la forma exterior de la pieza que se va a fundir. Se obtiene generalmente comprimiendo arena de moldeo sobre el modelo, el cual se retira después. Por tanto, si el molde que se obtiene se llena con metal fundido, obtenemos una pieza maciza; si ha de ser hueca para obtener las cavidades, se necesita colocar otras piezas especiales llamadas machos, núcleos o corazones, que no son más que bloques macizos de arena u otro material cuyo exterior es la forma interior que queremos reproducir.

Placas Modelo: Generalmente consta de un modelo metálico de madera, yeso o plástico montado sobre una placa metálica. Los metálicos tienen la ventaja de ser más duraderos, de mayor exactitud y suministran superficies más lisas. Son el elemento fundamental del moldeo mecánico.

Cajas de Moldear: Son marcos de madera, aluminio, fundición o acero de formas y dimensiones muy variadas, destinadas a contener la arena del moldeo. Constan de una parte superior y de otra inferior o de fondo, provistas de espigas o clavijas y de orejas, en correspondencia para fijar su posición durante el moldeo. Si hay más de 2 a las otras se les llama intermedias o aros. Las paredes suelen llevar, sobre todo si son grandes, una serie de agujeros o ranuras para facilitar la salida de gases del molde y, además, las aligeran de peso.

Arenas de Moldeo: Las arenas silicoaluminosas, también llamadas tierras de moldeo, son el material que más se emplea para la fabricación de moldes y machos. Están compuestas químicamente por cuarzo, arcilla, cal y feldespatos. Todas las arenas naturales contienen siempre un tanto por ciento de agua variable, que suele ser generalmente inferior al 10%. Lo ideal es que esté entre el 5% y el 7%. Si el tanto por ciento es menor, la resistencia mecánica de la arena disminuye, con peligro de arrastre de porciones del molde y formación de inclusiones en la pieza fundida. Si el tanto por ciento es más alto, el volumen de vapor producido dentro del molde aumentaría el riesgo de poros o sopladuras.

Métodos de Moldeo: La primera clasificación sería por la forma de realizarlo, y esta es el moldeo a mano, que como su nombre indica, todas las operaciones están hechas a mano. Requiere personal muy cualificado y solo es adecuado para obtener un número muy reducido de piezas o cuando las piezas son muy complicadas y no se pueden usar en el moldeo mecánico.

Moldeo Mecánico: En los talleres de fundición de gran producción y producción en serie, para la elaboración de moldes y machos, se sustituyen los métodos manuales por el moldeo mecánico. Sus ventajas son:

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

Moldeo en Moldes Metálicos: Los moldes metálicos, también llamados coquillas, sustituyen ventajosamente a los de arena cuando se trata de fabricar grandes series de la misma pieza. Se componen de 2 partes principales: 1. El cuerpo del molde y 2. Los machos para reproducir los huecos o entrantes de las piezas, que pueden ser metálicos o de arena. El material más usado para fabricar el cuerpo del molde es la fundición gris de grano fino.

La duración de las coquillas depende de la clase de material empleado en su fabricación, del material que se moldee y del cuidado que se ponga en su fabricación. Un molde bien usado puede resistir la fundición de mil a 40,000 piezas sin retoques de importancia. Las principales ventajas son:

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

Las principales inconvenientes son el elevado coste de la puesta a punto de la fabricación de cada pieza.

Moldeo en Coquilla por Presión: Difiere del moldeo en coquilla por gravedad en que el metal en estado líquido o pastoso se introduce en el hueco del molde bajo presión. Esto favorece el rápido llenado del molde y la reproducción fiel de sus más finos detalles. También asegura la eliminación de la porosidad en las secciones macizas de la pieza. La presión debe ser tanto más elevada cuanto mayor será la tendencia de la aleación a presentar sopladuras. Las piezas, después de eliminar el bebedero (por donde entra el metal fundido), quedan totalmente terminadas y no necesitan mecanizado posterior. La estructura del metal es de grano fino y las características mecánicas son muy elevadas.

Moldeo Especiales:

Moldeo en Cáscara: Consiste, en esencia, en obtener un molde con una delgada cáscara de arena de sílice aglomerada con resinas sintéticas termoestables, depositándola sobre una placa modelo metálica calentada a temperatura conveniente. Este proceso se realiza en máquinas que ejecutan las siguientes operaciones:

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

Moldeo a la Cera Perdida: Se realiza de la manera siguiente: se hace un modelo en cera del objeto que se va a moldear, se recubre este modelo con una capa gruesa de yeso y arena de sílice mezcladas. Después de secarse al aire, el modelo de cera con su envoltura se cuece en un horno. La cera entonces se funde y queda el recubrimiento formando el verdadero molde que reproduce con gran exactitud el modelo de cera. Se emplea mucho este proceso para la fabricación de piezas pequeñas en serie que se obtienen con un excelente acabado superficial y gran precisión, lo que hace innecesario su mecanizado posterior. Se pueden fabricar fresas y brocas de acero de coste rápido, a la vez que turbinas de gas y motores de reacción con aceros inoxidables y aleaciones refractarias (tijeras, instrumental quirúrgico) con aceros martensíticos, pequeños imanes de forma complicada, piezas de maquinaria textil, armas automáticas, motores de combustión, herramientas calibradas, piezas de electrodomésticos, etc. Las limitaciones de este proceso se deben a un elevado coste y a la limitación del tamaño de las piezas, que suelen ser menores de 500 g; la mayoría no sobrepasa los 30 g, aunque se han llegado a obtener piezas de 20 kg.

Colabilidad: Aun cuando los conductos del sistema de distribución estén perfectamente diseñados, existe la posibilidad de que el metal comience a solidificar antes de haber llenado por completo el molde, sobre todo en sus partes más delgadas. Para que esto no suceda, la aleación debe tener una colabilidad adecuada, entendiéndose por tal, su mayor o menor aptitud para llenar por completo la cavidad del molde. Esto dependerá de la cantidad de calor que pueda perder el metal antes de solidificar y, en consecuencia, de la temperatura, que depende también de las condiciones de enfriamiento del molde y de la velocidad de la colada.

Inspección de las Piezas Fundidas: Los métodos más corrientes son:

• Examen visual: Se debe realizar inmediatamente después del desmoldeo para evitar gastos de limpieza en piezas con defectos visibles.
• Control de dimensiones: Con calibres especiales, si la serie es grande, o en una mesa de trazado si es pequeña.
• Prueba de sonoridad: Se efectúa golpeando con un mazo de madera la pieza colgada de un gancho y, por el sonido que emite, se sabe si la pieza está rota o no.

Ensayos No Destructivos: Se utilizan métodos de partículas magnéticas, líquidos penetrantes, rayos X y ultrasonido, examen metalográfico para determinar el tamaño de grano y las micropropiedades, ensayos mecánicos como puede ser dureza, tracción, flexión, fatiga, etc., análisis químico para ver si la composición se ha mantenido dentro de los límites deseados y acabado superficial, valorando el mismo con un rugosímetro.

Pulvimetalurgia: Se conoce con este nombre al proceso empleado en la fabricación de piezas a partir de polvos metálicos, los cuales se prensan dentro de moldes, se extraen de dichos moldes y se calientan a temperaturas inferiores al punto de fusión del metal.

Es un proceso utilizado principalmente para metales difíciles de maquinar y consta de las etapas siguientes:

1. Obtención del polvo.
2. Proporcionarle un tratamiento al polvo.
3. Moldear la masa de polvo mediante prensado.
4. Sinterizar la pieza obtenida por compactación.

Hoy en día, este método tiene un gran campo de aplicación, como por ejemplo: cojinetes autolubricantes con un 30% de poros en bronce sinterizado impregnados de aceite o de teflón.

Otra aplicación son las pseudoaleaciones de metales con temperatura de fusión dispares, como pueden ser Cu-W y Ag-Molibdeno, que se emplean en los contactos eléctricos en la zona donde se produce la chispa de ruptura. En este sitio necesitamos la buena conductividad de Cu y Ag y la buena resistencia al desgaste del wolframio o molibdeno.

Preparación de metales pesados o pseudoaleaciones con 85%-95% de wolframio, 3% al 10% de Ni y del 2% al 5% de Cu. Estos materiales se caracterizan por tener una altísima densidad y se utilizan para la fabricación de giroscopios, pantallas de rayos X y rayos gamma, apantallamiento de pilas nucleares, etc. Preparación de carburos de wolframio, titanio… y pseudoaleaciones de wolframio-acero. Estos compuestos se caracterizan por su elevada dureza, gran resistencia a la abrasión y tenacidad, y que, debido a su alto punto de fusión, solo se pueden fabricar por este procedimiento: fabricación de cerámicas, que son aglomeradas obtenidas por sinterización de un metal con elevado punto de fusión y óxidos muy refractarios, y que se usan para la fabricación de turborreactores.

Ventajas de la Pulvimetalurgia: Es una de las industrias que está experimentando un creciente aumento debido fundamentalmente a las siguientes razones:

• Reduce al mínimo las pérdidas de materia prima, ya que solo se usa la cantidad de polvo necesario para obtener el producto final.
• Facilita el control exacto de los límites de la composición.
• Se pueden eliminar o reducir al mínimo las operaciones de mecanizado.
• Todas las operaciones son susceptibles de automatización, logrando buenos acabados superficiales sin las señales propias del moldeo.
• Es la única técnica que permite lograr una porosidad controlada y una oxidación interna muy repartida, apta para el endurecimiento.

Limitaciones de la Pulvimetalurgia: Las piezas deben tener una forma que permita extraerlas fácilmente de la matriz, con lo cual se limita bastante las posibilidades de diseño. El tamaño de las piezas está limitado por la fuerza de las prensas, que no suele sobrepasar las 500 toneladas. Las piezas obtenidas no pueden tener las características mecánicas que tienen las obtenidas por métodos convencionales. El factor económico es muy importante en este proceso debido al elevado coste de las matrices de acero aleado o de carburo de wolframio.

La Compactación: Esta operación tiene como objeto conformar el polvo metálico en la forma y dimensiones deseadas, dándole la resistencia y consistencia necesarias para su manipulación cuidadosa hasta el sinterizado. La cocción del producto comprimido se puede considerar como una verdadera soldadura en frío de los puntos de los polvos en contacto. La compresión se realiza introduciendo el polvo en una matriz fabricada generalmente de carburo de wolframio y se somete a una presión que puede variar entre 800 a 20,000 kg/cm². Lo más usual es de 4,000. Debido a que la pulvimetalurgia debe su rentabilidad a la producción de grandes series, necesita matrices fáciles de fabricar y de gran resistencia al desgaste, por eso se suelen hacer por electroerosión con aceros indeformables y carburos aglomerados.

Sinterización o Fritado: Es la operación pulvimetalúrgica principal y tiene como objeto dar cohesión y resistencia al producto comprimido. Consiste en dar un calentamiento a la masa de polvo a una temperatura inferior a la de fusión (la temperatura de sinterizado es del orden de 2/3 a 4/5 de la temperatura de fusión) durante el tiempo suficiente para que las partículas se moldeen y el componente resultante, muchas veces poroso, adquiera la suficiente resistencia mecánica. Todo esto se realiza en atmósfera protectora, en hornos de inducción para evitar la oxidación, ya que el compactado puede pasar parcial, pero nunca totalmente, al estado líquido.

Forja: Se entiende por forja la deformación por compresión de un material colocado entre matrices. Ciclo térmico de la forja: son 3 fases:

• Calentamiento: El metal debe encontrarse a la máxima temperatura posible, pero sin alcanzar el punto de fusión. Durante la deformación se comunica energía mecánica y parte de esta se pierde en calor. La forja en caliente requiere el mínimo de energía en el forjado y produce la máxima deformación, aunque al forjar cuesta controlar las dimensiones del producto, ya que el metal no se contrae uniformemente cuando se enfría, de ahí que la forja se realice a menudo a temperatura ambiente, aunque la deformabilidad del metal es algo menor que en caliente.
• Deformación: La deformación producida en la forja se debe a esfuerzos de compresión. Esta fuerza se denomina carga de forja y se deduce para un metal particular. La deformabilidad también depende del tamaño de los granos. Un tamaño de grano grande es difícil de forjar. En una operación de forja real, la carga y la presión de forja dependen del límite de fluencia del metal de la pieza. Bajo condiciones de lubricación perfectas, la presión requerida es uniforme e igual al límite de fluencia del material.
• Enfriamiento: Se produce constantemente desde que sale la pieza del horno. Este enfriamiento no puede ser brusco para evitar grietas. También influye considerablemente el tamaño de la pieza; las piezas grandes se agrietan con más facilidad a causa de las tensiones que se originan por la desigualdad de temperatura entre el núcleo y la periferia. El enfriamiento puede hacerse al aire, pero si el material es delicado, hay que dejar la pieza enfriar en el horno.

Forja Mecánica: En la actualidad se realiza la forja mecánica. Esto permite el trabajo de grandes piezas o grandes series de piezas aplicando esfuerzos violentos y bruscos con los martinetes o continuos con las prensas. La utilización de prensa o martillo depende principalmente del peso de la pieza a forjar y de su sección (martillo - de 5,000 kg + prensas hasta 100 toneladas).

Estampación, Recalcado y Extrusión: Todas son forjas en caliente. Tienen en común que se produce fluencia de partículas de material sin perder su cohesión y se obtiene una pieza sólida con una forma determinada. En la estampación se somete al material a esfuerzos de compresión sin dirección determinada. Se usa mucho para fabricar piezas en serie como ejes, discos, cigüeñales, engranajes, cúpulas, etc. El recalcado se utiliza cuando se desea producir acumulación del material en una zona limitada de un producto semielaborado. Para ello se comprime este. Las piezas obtenidas más típicas son cabezas de tornillos, remaches, clavos, llantas, etc. En la extrusión se impulsa el metal comprimiéndolo para que fluya a través del orificio de una matriz. La aplicación más directa son cartuchos para balas, perfiles, etc.

Estampación: Se realiza en cortas etapas a partir de un producto semielaborado con el que se obtiene una preforma. Las medidas alcanzables son desde 10 g y 10 mm hasta 2,000 kg y 3.5 m. Utilizando aluminio, se forjan hasta 10 m (cabeceras de alas de aviones). Las estampas están formadas por 2 partes: la superior que se sujeta al pilón del martinete o a la maza de la prensa, y la inferior que se fija a la chaveta o yunque.

Recalcado: Consiste en una acumulación o condensación del material en una zona limitada de un producto acabado, generalmente en forma de palanquilla. Como se realiza por compresión axial, se produce simultáneamente un acortamiento. Puede realizarse en frío o en caliente, siendo la primera la más usada.

Extrusión: Proceso realizable en caliente y en frío, en el que mediante un émbolo se presiona el material obligándolo a salir por el orificio de una matriz, la cual da su forma a la pieza. Su aplicación presupone la fabricación de un gran número de piezas. En principio, se pueden extruir todos los metales o aleaciones siempre que posean buena capacidad de deformación y presenten al conformarlos un bajo grado de dureza. Deben tener un límite elástico bajo, un gran alargamiento y poca dureza. Las principales aplicaciones de la extrusión en frío son: la fabricación de pequeños recipientes de paredes flexibles para pasta de dientes, cremas, pegamentos, etc. (3,000 piezas por hora).

Extrusión en Caliente: Se obtiene una gran variedad de perfiles y piezas cada día más debido a la sencillez de la operación, a la rapidez, al bajo coste cuando se trata de series de piezas discretas y a las excelentes características del material extruido, similares a las obtenidas por forja. Cuando la velocidad con la que se ejerce la presión es muy grande, se tiene la extrusión por impacto, utilizada para fabricar objetos huecos de paredes finas. Como se requieren grandes presiones y velocidad, este procedimiento solo se emplea con metales blandos (Cu, Al, Pb) y grandes lotes. El método de cooker también es extrusión por impacto, aunque para ello se emplean metales más duros.

Laminación: Es un proceso de conformación plástica en el que el material fluye de modo continuo en una dirección preferente mediante fuerzas de compresión ejercidas al pasar entre 2 cilindros. Bajo la acción de las fuerzas de compresión, el metal a laminar experimenta, a través del continuo proceso de recalcado, un alargamiento en sentido longitudinal, así como un ensanchamiento y, con ello, una disminución de sección. Se puede realizar en caliente o en frío, cuya frontera es la temperatura de recristalización.

Laminación en Caliente: Partimos de metales fundidos. La temperatura a la que se trabaja es la de forja, por tanto, la deformación no es dura y se obtienen grandes reducciones de espesor. La fluidez del material, por la gran presión, crea una estructura fibrosa, eliminando así las sopladuras y faltas de homogeneidad, con la consiguiente mejora de las características mecánicas. El inconveniente es la oxidación superficial y la inevitable formación de escoria que impide operar con pequeñas tolerancias.

Laminación en Frío: Se aplica en aquellos casos en que han de producirse las deformaciones en un pequeño campo de tolerancias o cuando deseamos obtener un material con las características de una forja en frío, con lo que produce dureza, con el aumento consiguiente de la resistencia a la tracción, rigidez, dureza, a la vez que una disminución de la ductilidad y tenacidad.

Laminadores: Todos los metales usados en la industria han sufrido laminación. El producto de partida es el lingote, el cual en su primera laminación se transforma en desbaste. La segunda en producto semielaborado y la laminación final en producto acabado. Todos los procesos de laminación se realizan en un tren de laminación formado por un par de rodillos. El equipo a emplear depende del tamaño, forma y reducción del producto final. Estos factores serán los que determinen la unidad de laminación más conveniente. Normalmente se produce un gran aumento de sección y una reducción de espesor, por lo tanto, el laminado deberá pasar por varias unidades consecutivas.

Estirado y Trefilado: Son 2 procesos de conformación que se realizan estirando los a través de orificios calibrados llamados hileras. Tiene lugar el desplazamiento permanente de material producido por fuerzas deformadoras de tracción principalmente. Se opera generalmente en frío. Ambos procesos se reducen en realidad a uno solo; la diferencia está en el objetivo perseguido y su tecnología. En el estirado se pretende reducir la sección para conseguir formas o calibres determinados. En el trefilado, se busca la reducción de sección, por eso el trefilado requiere más pasadas. Los materiales deben ser dúctiles (aceros, latones, Cu, Al, Mg y sus aleaciones). Las aplicaciones del trefilado son múltiples, como alambre para ataduras, fabricación de muelles, alambres conductores de cobre, clavos, tornillos, agujas, radios de ruedas.

Estampación en Frío de la Chapa: Es uno de los procesos que ha adquirido un gran auge en los últimos tiempos debido a la economía cuando se producen grandes series, la uniformidad de las características mecánicas y al excelente acabado superficial de la pieza. Las condiciones de los materiales son: 1. Deben ser de superficie lo más perfecta posible. 2. El espesor debe ser uniforme en toda la chapa. 3. Las características del material deben ser también uniformes. 4. Se obtendrán mejores resultados cuanto más maleables sean. Los materiales más usados son la chapa de acero dulce. Las aplicaciones son la industria carrocería de automóviles y la fabricación de electrodomésticos.

La Soldadura: Puede definirse como un proceso de unión fija entre metales en el que la adherencia se produce con aporte de calor a una temperatura adecuada, con aplicación de presión o no, y con adición de metal o aleación fundida o no.

Soldadura Heterogénea: Son aquellas que se efectúan entre metales de distinta naturaleza, con o sin metal de aportación, o cuando se unen 2 metales iguales sin metal de aportación (blanda fuerte).

Soldadura Homogénea: Son las que tanto los materiales que se sueldan como el metal de aportación son de la misma naturaleza. Si la soldadura se efectúa sin metal de aportación, se le denomina autógena (forja, aluminotérmica, ultrasónica, eléctrica).

Soldadura Blanda: Puede ser de iguales o distintos metales por una aleación metálica de bajo punto de fusión, siempre menor de 500ºC. Es muy fácil de realizar. Inconvenientes:

1. Su resistencia mecánica es ligeramente inferior a la de los metales soldados.
2. La presencia de metales de distinto potencial galvánico con la humedad puede dar lugar a pilas de corrosión y, a la larga, la destruye. La resistencia mecánica es del orden de 10 a 15 kg/mm².
3. Solo se aconseja su utilización en piezas que vayan a permanecer perfectamente secas. También se utilizan en recipientes que han de contener líquidos o gases no agresivos a presión ordinaria y se usa bastante para establecer los contactos en las conexiones eléctricas.

Soldadura Fuerte: Es la que emplea como metales de aportación, aleaciones de punto de fusión superior a 500ºC, pero siempre inferior a la de los metales que se unen. En ningún momento debe producirse la fusión de uno de ellos. Según el metal de aportación, se distinguen la soldadura fuerte amarilla, entre 650 a 950ºC, con metal de aportación el latón. Se utiliza para la soldadura de hierro y cobre y sus aleaciones. La resistencia a tracción es del orden de 25 a 35 kg/mm². La soldadura fuerte con plata se diferencia de la amarilla, además del metal de aportación, en la técnica de la operación. En la soldadura amarilla puede haber holgura, pero en esta conviene que se ajuste lo máximo posible, pues la máxima resistencia de la soldadura se obtiene cuando la holgura oscila entre 0.03 a 0.05 mm, ya que la aleación debe penetrar por acción capilar.

Soldadura por Forja: Es el procedimiento tradicional usado por los herreros. Consiste en calentar las piezas a unir en una fragua hasta la temperatura próxima a la de fusión y, a continuación, se forjan juntas. Es preciso que las superficies que se vayan a unir estén totalmente limpias y que el contacto entre ellas sea lo más perfecto posible. Se usa generalmente en aceros de bajo contenido en carbono y la temperatura de calentamiento es del orden de 1300ºC.

Soldadura Aluminotérmica: Esta soldadura aprovecha como metal de aportación y agente calorífico para la unión, el hierro líquido sobrecalentado que se obtiene de la reacción fuertemente exotérmica entre el aluminio y el óxido de hierro. La reacción tiene lugar a una temperatura aproximada de 3000ºC. Sus aplicaciones principales son la soldadura de secciones muy gruesas (los raíles de ferrocarril, grandes árboles de transmisión, bancadas de grandes motores). También se usa mucho en la soldadura de conductores eléctricos en las tomas de tierra. Su ventaja principal es que se obtiene la soldadura en toda la sección simultáneamente.

Soldadura por Puntos Ultrasónica: (Muy cara) Sometiendo a 2 chapas puestas en contacto a presión entre 2 sonotrodos a unas vibraciones ultrasónicas, provoca un gripado por fricción y acaba por soldarlas perfectamente.

Soldadura Oxiacetilénica o Gas: El calor necesario para la fusión de los bordes de las piezas y el metal de aportación procede de la combinación de un gas con el oxígeno en la boquilla de la tobera de un mechero de soldar denominado soplete. Las máximas temperaturas son del orden de los 3500ºC. Es la más adecuada para soldar piezas de pequeño espesor y sus aplicaciones están limitadas por la menor temperatura que suministra la llama. Para soldar piezas de gran espesor, hay que precalentar necesariamente las zonas que se van a soldar.

Oxicorte: Es un procedimiento de corte de metales por la combustión localizada y continua de los mismos con un chorro de oxígeno. Es una aplicación del soplete oxiacetilénico, aunque también se puede hacer con el arco eléctrico para fundir el metal y un chorro de aire u oxígeno a presión para desalojar el metal fundido. Se basa en calentar previamente el metal al rojo con una llama de un soplete y hacerle arder con un chorro de oxígeno a presión. El equipo consta de los mismos elementos que la soldadura oxiacetilénica y difiere en que se le ha adicionado un conducto o lanza para el oxígeno del corte. Se utiliza mucho en desguaces y trabajo bajo el agua.

Soldadura por Arco: Es el procedimiento más extendido para unir piezas metálicas. Se aprovecha el calor concentrado del arco eléctrico para obtener soldaduras por fusión, con o sin metal de aportación. La energía que produce el arco se distribuye un 43% en el ánodo, el 36% en el cátodo y el resto a la columna de gases. El calor que se emplea en calentar y fundir el metal es el 60%. Para iniciar el arco, se establece un contacto entre el electrodo y la pieza. Esto origina un cortocircuito que crea una elevada intensidad. En estas condiciones se ioniza el gas y, si se separa unos mm el electrodo de la pieza, la corriente continua pasando a través del gas ionizado origina el arco luminoso o llama de soldar. Cuando se produce el arco, se funde tanto el extremo del electrodo como la zona de metal de la pieza situada enfrente, y ambas se mezclan íntimamente. Conforme va consumiendo el electrodo, debe ir acercándose a la pieza para mantener constante la longitud del arco, pues si se hace demasiado grande, el arco se apaga. Normalmente, el arco de corriente continua es más estable que el de alterna.

Soldadura por Arco en Atmósfera Inerte:

Este proceso se basa en aislar el arco y el metal fundido del aire ambiente mediante un gas inerte.

Soldadura TIG: El arco se hace saltar en atmósfera inerte de He o Ar entre la pieza y un electrodo de tungsteno. El metal de aportación lo suministra una varilla de soldar sin recubrimiento y de composición similar a la de las piezas que se van a unir.

Soldadura por Arco de Hidrógeno Atómico: El calentamiento se consigue haciendo saltar el arco entre 2 electrodos de tungsteno en una atmósfera de H.

Soldadura MIG: En este procedimiento se reemplaza el electrodo de tungsteno por un alambre desnudo de metal de aportación de composición similar a las piezas que se van a unir.

Soldadura MAG: Es una variante de la anterior en la que se sustituye el He o Ar por CO2 (más barato).

Soldadura con Calentamiento por Resistencia Eléctrica: Basadas en el efecto Joule, agrupa procedimientos de soldadura en los que el calentamiento se produce al pasar una corriente eléctrica a través de las piezas que oponen una resistencia de contacto (piezas de pequeño espesor).

Soldadura por Puntos: Las piezas que se van a unir se colocan superpuestas entre 2 electrodos que las comprimen y dejan pasar una corriente eléctrica de elevada intensidad y bajo voltaje. Debajo de los electrodos, entre las 2 piezas, se desarrolla la máxima cantidad de calor por resistencia, obteniéndose un punto de soldadura en forma de lenteja (más usado).

Soldadura por Costura: Es una variante de la soldadura por puntos y estos se forman sin solución de continuidad, dando lugar a una costura continua y estanca. Los electrodos son ahora rodillos giratorios que conducen la corriente hasta las piezas, ejerciendo presión sobre ellas (guardabarros, tubos, depósitos).

Metalurgia de la Soldadura: Afectan a las características de las piezas soldadas, ya que requieren un calentamiento que puede producir alteraciones en las microestructuras semejantes a las obtenidas en un tratamiento térmico. Defectos: 1. Absorción de gases que originen sopladuras. 2. Reacciones con los gases de la atmósfera y formación de gases perjudiciales. 3. Segregaciones del componente. 4. Inclusiones de escorias. 5. Tensiones internas que pueden originar grietas y deformaciones.

Soldabilidad de los Metales: Indica la mayor o menor aptitud de un metal para soldarse con una determinada aleación bajo ciertas condiciones. Lo que no interesa es conocer las precauciones que hay que tomar para obtener un cordón de soldadura exento de defectos y con las características mecánicas necesarias.