Red Temática de Docencia Iberoamericana en Ingeniería ... · Ingeniería de los Procesos de Fabricación. UJI Autorizado Uso miembros ReTDIC Red Temática de Docencia Iberoamericana

©Carlos Vila. Ingeniería de los Procesos de Fabricación. UJI Autorizado Uso miembros ReTDIC

Red Temática de Docencia Iberoamericana en Ingeniería

ConcurrenteRETDIC

Universidad del NorteDivisión de Ingenierías

Departamento de Ingeniería MecánicaBarranquilla


Selección de Materiales y ProcesosCarlos Vila

CINEI Departamento de Tecnología

Universidad Jaume I CASTELLÓN

Autorizado su uso – Miembros RETDIC


EL TEMA

Selección de Materiales y Procesos

Capacitar al alumno en una selección inicial del proceso de fabricación en función del material y de la geometría.

OBJETIVOS

Proporcionar al alumno una metodología para la selección sistemática del Proceso de fabricación.

Crear interés en el ámbito de la Planificación de los Procesos y Métodos de Fabricación.



INDICE

Introducción1

Variables del Proceso y Requerimientos Generales2Selección del Proceso de Fabricación en función de la Capacidad

3

Selección de Materiales4

Selección Sistemática de Procesos y Materiales5


Introducción

DISEÑO FABRICACIÓN

La compatibilidad del diseño y su fabricación se ha convertido en uno de los aspectos de ingeniería más importantes en las últimas décadas

Metodologías y técnicas de diseño para fabricación apoyan a los ingenieros en optimizar sus diseños desde el punto de vista del conformado

Un aspecto crucial es poder seleccionar los materiales y los procesos de conformado en las primeras etapas del diseño para incrementar la productividad

Existen unas 40.000 aleaciones diferentes de metales, otras tantas de materiales cerámicos y unas 100.000 de materiales orgánicos


Introducción

Por lo tanto, es necesario desarrollar y utilizar una metodología para la selección sistemática de materiales y procesos

Desarrollaron una Metodología (entre otras propuestas) para la selección sistemática de materiales y procesos de conformado

BOOTHROYD DEWHURST


IntroducciónCaso que ilustra la relación estrecha entre Material y Proceso

Diferentes Soluciones para un mismo producto:•Madera – Mecanizado•Alambre – Doblado•Plástico – Inyección•Plástico: formas + complejas características multifuncionales


IntroducciónBoothroyd Dewhurst

Diseño Conceptual

Diseño para Ensamblaje

Estimaciones de Costes combinación materiales-procesos

Sugerencias de materiales y procesos mas económicos (DFM-2)

Sugerencias para la simplificación de la estructura del producto

Diseño para Fabricación

Fabricación Prototipo

Diseño del Proceso

Selección Inicial demateriales y procesos

Sugerencias de combinación materiales y procesos (DFM-1)

Producción

Diseño Integrado Producto-Proceso (D

FMA

)

DFMA Detallado (DFM-3)

TG’s - PFA, logística, ...DFM-3


Variables del Proceso y Requerimientos Generales

Variables del ProcesoProducción durante el ciclo de Vida (Comercial)INFORMACIÓN

INICIALPresupuesto admisible en herramientas

Categorías de forma de la pieza posibles y niveles de complejidad

Consideraciones medioambientales y de servicio postventa

Factores de Apariencia

Factores de Tolerancias y Acabados


Variables del Proceso y Requerimientos Generales

Requerimientos Generales

FUNCIONALES. Determinados por las características de trabajo delproducto final (temperatura, carga admisible, etc.)

MATERIAL

PROCESO. Capacidad de un material a ser trabajado y modificada su forma para obtener productos semiacabados o acabados

COSTE. Parámetro que selecciona el material entre los que cumplen las especificaciones anteriores

Exigencias a cumplir para el correcto funcionamiento del producto como la compatibilidad con el material o la geometría.También existen aspectos a considerar como el tamaño del lote, ratio de producción, producción total, tolerancias, acabados superficial, etc.,

PROCESO


Selección del Proceso de Fabricación en función de la Capacidad

Compatibilidad Material - Proceso

Existe una compatibilidad material proceso de conformado MATERIALES

En la siguiente tabla podemos observar las correspondencias entre procesos de fabricación y materiales, agrupados de forma genérica



Fund

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Term

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bles

Moldeo en Arena Moldeo a la Cera Perdida Moldeo en Coquilla Moldeo por Inyección Moldeo por Espumación Moldeo por Extrusión soplado Moldeo por Inyección soplado Moldeo Centrífugo (rotacional) Extrusión por Impacto Forja en Fío (recalcado) Forja con Matriz Sinterizado (Metalurgia de polvos) Extrusión en Caliente Laminado de Tubos y Estirado Arranque de Viruta Mecanizado Electroquímco Electroerosión por penetración Electroerosión por hilo Trabajo de la Chapa Termoconformado Repujado

Proceso Comúnmente Aplicado Proceso POCO Comúnmente Aplicado Proceso NO Aplicable

Compatibilidad

Proceso-Material

DEF.

PLÁSTIC

AM

OLD

EO

SOBRE CHAPA

CON CON PÉRD. DE PÉRD. DE MATERIAL MATERIAL

(CPM)(CPM)

Sin pérdida de Material (SPM

)

Tipos de Procesos

MATERIAL



Compatibilidad Geometría - Proceso

De la misma forma que existe una compatibilidad proceso materialExiste una compatibilidad proceso geometría a generar.

GEOMETRÍAS

Como ya hemos visto existen procesos están caracterizados por generar unas formas determinadas

Definiendo una serie de atributos de forma podemos determinar lacompatibilidad proceso geometría



Atributos de Forma

Es la capacidad del proceso de realizar huecos o ranuras en la superficie de la pieza. Prácticamente todos los procesos pueden generar estas formas salvo los procesos que sólo modifican las dimensiones de la pieza pero manteniendo sus proporciones (laminado, trefilado)

Depresiones en una DirecciónDepresiones Unidir

Es la capacidad del proceso de realizar huecos o ranuras en la superficie de la pieza en cualquier dirección. Por ejemplo, el conformado por moldeo puede generar depresiones en las distintasdirecciones de apertura del molde

Depresiones en Múltiples DireccionesDepresiones Multidir

Capacidad del proceso para generar piezas en las que las paredestengan un espesor uniforme

Paredes Uniformes



Atributos de Forma

Capacidad del proceso para generar piezas en las que las secciones transversales a una dirección sean idénticas excluyendo ángulos de desmoldeo

Secciones Uniformes

Capacidad del proceso para generar piezas por rotación sobre un eje y produce un sólido de revolución

Ejes de Revolución

Capacidad del proceso para generar cavidades con volúmenes que aumentan progresivamente debido a que la superficie de entrada es menor que la superficie de la cavidad (botellas)

Cavidades abiertas

Capacidad del proceso para generar cavidades completamente cerradas

Cavidades cerradas

Capacidad para generar secciones constantes en la dirección del movimiento del proceso con paredes sin ángulos

Superficies Perpendiculares



Atributos de Forma

COMPATIBILIDAD CON LOS PROCESOS DE ENSAMBLAJE

Design for Assembly (Diseño para ensamblaje). Metodología que Considera los Procesos de Ensamblaje de Conjuntos para realizar modificaciones en las geometrías de las piezas

DFA

Capacidad del proceso de incorporar algunos requerimientos funcionales en una única pieza eliminando el ensamblaje

Consolidación de la Pieza

Capacidad del proceso para incorporar en la pieza algunos elementos que faciliten la alineación de piezas y/o el ensamblaje

Elementos de Alineación

Capacidad del proceso para incluir directamente en la pieza elementos que ayudan al ensamblaje (roscas, pestañas, etc.)

Uniones Integradas


a Posible a mayor coste b Es posible sin un incremento de coste significativo c Posible con herramientas y maquinaria especializada d Sólo es posible con contornos continuos con final abierto S El proceso SÍ es capaz de producir piezas con estas características

Las subrayadas indican que las piezas por este proceso son más fáciles de obtener con estas características.

N El proceso NO es capaz de producir piezas con estas características D Las piezas producidas con este proceso DEBEN tener estas características DFA Tres últimas columnas Relacionadas con metodologías de diseño para

ensamblaje (5 máxima capacidad)

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Moldeo en Arena S S S S S S S N N 4 3 1 Moldeo a la Cera Perdida S S S S S S S N N 5 5 2 Moldeo en Coquilla S Sa S S S S N N N 4 5 3 Moldeo por Inyección S Sa S S S S Nb N N 5 5 5 Moldeo por Espumación S Sa S S S S N N N 4 4 3 Moldeo por Extrusión soplado S Sa D N S S D S N 3 4 3 Moldeo por Inyección soplado S Sa D N S S D N N 3 4 3 Moldeo Centrífugo (rotacional) S Sa D N S S N D N 2 2 1 Extrusión por Impacto S N S N S S N N S 3 3 1 Forja en Fío (recalcado) S N S N S S N N S 3 3 1 Forja con Matriz S Sa S S S S N N N 3 2 1 Sinterizado (Metalurgia de polvos) S N S S S S N N S 3 3 1 Extrusión en Caliente Sd N S D S S N N S 2 2 3 Laminado de Tubos y Estirado Nc N N N D Nc N N N 1 1 1 Arranque de Viruta S S S S S S S N S 2 3 2 Mecanizado Electroquímco S Sc S S S S N N N 3 4 1 Electroerosión por penetración S Sc S S S S N N N 3 4 1 Electroerosión por hilo Sd S S S S S N N S 2 2 3 Trabajo de la Chapa S S D S S S N N N 4 3 4 Termoconformado S Sa D N S S N N N 3 3 3 Repujado N S D N D N S N N 1 1 1


Compatibilidad

Proceso/Forma / Ensamblado

DEF.

PLÁSTIC

AM

OLD

EO

SOBRE CHAPA

CON CON PÉRD. DE PÉRD. DE MATERIAL MATERIAL

(CPM)(CPM)

Sin pérdida de Material (SPM

)

Tipos de Procesos

ATR

IBU

TOS

GEO

MÉTR

I..



Compatibilidad Tolerancias - Proceso

Otra de las Exigencias a cumplir para el correcto funcionamiento del producto son las tolerancias y acabados superficiales.

En la siguiente tabla podemos observar unos valores orientativos de tolerancias obtenibles por cada proceso y acabados superficialescorrespondientes para el caso económico y para el caso posible.


FUNCIONES

Superf. brutas

sin contacto

Superf. Contacto

fijo

Superficies con contacto móvil, guías, centrado

Alta Precisión Estanqueidad

Movimientos Precisos

Desviaciones de Orientación (Para un mismo amarre)

TOLERANCIAS 16-12 11-9 8-7-6 5-4-3-2-1-0-01 RUGOSIDAD Ra 25 12,5 6,3 3,2 1,6 0,8 0,4 0,2 0,1 0,05 0,02 0

Moldeo en Arena

Moldeo a la Cera Perdida

Moldeo en Coquilla

Moldeo a Presión

Estampado en Caliente

Laminado en Caliente

Extrusión en Caliente

Laminado en Frío

Trefilado en Frío

Serrado

Oxicorte

Cepillado 0,05 0,1 0,1

Fresado Acero rápido 0.05-0,01 0,03 0,005-0,02

0,01

Fresado Acero Carburo 0,02-0,01 0,02 0,01

Torneado de Desbaste

Torneado de Acabado 0,02-0,01 0,02 0,005-0,01

0,01

Torneado de Diamante 0,01 0,02 0,01 0,01

Taladrado con Broca 0,2 0,1 0,1 0,1

Mandrinado Hta. carburo 0,005 0,01 0,01 0,01

Escariado

Mandrinado Diamante

Brochado 0,002 0,002

Tallado

Rectificado desbaste

Rectificado producción

Rectificado precisión 0,001 0,001 0,002 0,002

Honing 0,0005 0,001 0,002 0,002

Lapping

Pulido mecánico

Pulido electrolítico

Superacabado 0,0005 0,001 0,005 0,002

Mecanizado electrolítico

Acabado con rodillos

Acabado en Tonel

POSIBLES ECONÓMICOS

Compatibilidad

Proceso/Tolerancias


Características Técnicas de Materiales


Selección de MaterialesRequerimientos de material

PROPIEDADES Es fundamental conocerlas para una selección adecuadaDensidadMódulo de ElasticidadLímite ElásticoTensión de RoturaResistividad EléctricaConductividad TérmicaCoeficiente de DilataciónTemperatura de FusiónOtras


Selección de Materiales

80

60

15

70

50 40 30

20

10 9

8

7

6

5

4

3

2

1,5

1 Chapa de Acero al Carbono Laminada

Alquílicos, Fenólicos, Ureicos

ETFE, ECTFE

Zirconio, Wolframio, Bismuto

Cobalto Vanadio Nitruto de Titanio Titanio

Barra de Acero al Carbono Laminada en Caliente Fundición Nodular de Hierro Barra de Acero al Carbono Laminada en Frío Perfiles estructurales, fundición gris

Chapa de Acero al Carbono Galvanizada Plomo

Cinc

Aluminio 99,5 %

Chapa de Acero Inoxidable 304

Cobre electrolítico

Duraluminio

Chapa de Acero Inoxidable 316 Magnesio Bronce

Aleaciones Cobre Níquel

Acero para Herramientas

Cromo 99,8% Níquel, Iconel 600

FEP

Silicona (Propósito general)PTFE (teflón)

Polietileno SulfídicoPolisulfonas

Poliamida 6/12 (nylon)Policarbonato

Poliamida (6,6/6, RFV)Poliéster

Acetálicos, acetato, celulosas

Vinílicos CloradosOlefinas

ABS, acrílicos, melaminas

Polibutadienoestireno (PBS)

Polietilenos, poliestirenos

Polipropileno

Vinílicos Rígidos

COSTE RELATIVO


Selección de Materiales PROPIEDADES


Selección de Materiales PROPIEDADES


Selección Sistemática de Procesos y Materiales

Metodología sencilla para la selección sistemática de materiales y procesos de conformado que parte de los requerimientos funcionales y de un diseño preliminar (diseño conceptual que tiene una geometría previa)

BOOTHROYD DEWHURST

Metodología que habría que completar con otras metodologías de diseño como, por ejemplo, diseño para ensamblaje.



PROCESO METODOLÓGICO

Listado de mat´s-procesos comp-con geometría

DISEÑO CONCEPTUALRequerimientos FuncionalesGeometría y Materiales preliminaresNormativa y Seguridad

Diseño Correcto

Selección del material en función de propiedades requerimientos (5)

Diseño DEFINITIVO

Valoración de Combinaciones de Materiales y Procesos (4)

Diseño de Detalle conMATERIAL-PROCESO

Requerimientos esenciales sobre el Material

Requerimientos esenciales sobre la Funcionalidad (Geometría)

Requerimientos esenciales sobre el Proceso

Analizar Compatibilidad Material Proceso (3)

Procesos Adecuados a la Geometría a Generar (2)

Analizar Compatibilidad Geometría Proceso (1)

CorrelaciónGeometría Materiales

Procesos

Cambio de Material y Procesos

Comp Proc-mat’s-req’s tcos Aplic.

DFM detallado

DFMAMAT./ PROCESO



Ejemplo

Requerimientos de material (dato de diseño)Temperatura máxima de trabajo 500ºCResistencia a la corrosión con ácidos débiles y alcalinos

MATERIAL

GEOMETRÍA

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Determinaratributos geometría



Ejemplo

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Resultados Proceso/Forma:

•Sinterizado

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Ejemplo

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Resultados Proceso/Forma:

•Sinterizado

•Arranque de Viruta

•Extrusión en caliente

•Electr...



EjemploFaltaría seleccionar aquél material que cumpliera los siguientes:Requerimientos de material

Temperatura máxima de trabajo 500ºCResistencia a la corrosión con ácidos débiles y alcalinos

V

Resultados:V Sinterizado &Extr. cal

V Arr. Vir & Electr-hilo

V

Fund

ición

de H

ierro

Acer

o al C

arbo

no

Alea

cione

s de A

cero

Acer

o Ino

xidab

le

Alum

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Term

oesta

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Sinterizado (Metalurgia de polvos) Extrusión en Caliente Arranque de Viruta Electroerosión por hilo

C C C T T T $ $ T $

Comb. Mat-Proceso eliminadas$

Procesos posibles en función del material


CONCLUSIONES


HEMOS PRESENTADO UNA METODOLOGÍA QUE PERMITE, CUALITATIVAMENTE, DETERMINAR LOS MATERIALES Y

PROCESOS ADECUADOS PARA SATISFACER EL DESARROLLO CONCEPTUAL DE PRODUCTOS Y PROCESOS

RESUMEN

PUNTOS FUERTES

SENCILLEZELABORADA

PUNTOS DÉBILES

DEMASIADO GENÉRICA FALTA ANÁLISIS COSTESAUTOMATIZACIÓN (CAD)


Red Temática de Docencia Iberoamericana en Ingeniería

ConcurrenteRETDIC

Universidad del NorteDivisión de ingenieríasDepartamento de Ingeniería MecánicaUso Autorizado: Miembros RETDIC

Barranquilla


CASO No. 2 de Selección Material / ProcesoDFMA

Dr. Ing. H. Maury ©RETDIC


Caso No. 2. Selección material - Proceso

Evaluar los procesos y materiales para fabricación de llantas o “rines” deportivosDetermine soluciones diferentes atendiendo a los siguientes factores: acabado superficial, precisión dimensional, costos entre otros.

Requerimientos del material:E>50 Gpa Sut>150 MPa

Características deseables en la llanta:Máximo límite elásticoMínima densidadMínimo coeficiente de expansión térmicoMáxima conductividad térmicaMínimo costoAlternativas constructivas a explorar:

•Construcción mediante un sólo proceso•Construcción mediante una secuencia de procesos

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