1.- Introducción a los Sistemas de Fabricación

Ingeniería de los Sistemas de Producción
1.‐ Introducción a los Sistemas de Fabricación
Rosendo Zamora Pedreño
Dpto. Ingeniería de Materiales y Fabricación
rosendo.zamora@upct.es
Índice
Tema 1.‐ Introducción a los Sistemas de Fabricación
1.‐ Tecnologías de fabricación
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.1 Estructura básica de un proceso
2.2 Modelo general de los procesos
2.3 Flujo de Material: Procesos Básicos
2.4 Flujo de Energía
2.5 Flujo de Información
3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos
2
1
Índice
Tema 1.‐ Introducción a los Sistemas de Fabricación
1.‐ Tecnologías de fabricación
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.1 Estructura básica de un proceso
2.2 Modelo general de los procesos
2.3 Flujo de Material: Procesos Básicos
2.4 Flujo de Energía
2.5 Flujo de Información
3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos
3
1.‐ Tecnologías de Fabricación
1.‐ Tecnologías de Fabricación
*1
4
2
1.‐ Tecnologías de Fabricación
Número de piezas de algunos productos
Producto
Nº de piezas
Podadora rotativa
300
Piano de cola
12 000
Automóvil
15 000
Avión de carga C‐5A
> 4 000 000
Boeing 747‐400
> 6 000 000
*3
*2
Porsche 911 (997) GT2
5
1.‐ Tecnologías de Fabricación
Definiciones
6
3
1.‐ Tecnologías de Fabricación
Definiciones
En el sentido amplio de la palabra, los procesos de fabricación convierten materias primas en productos.
•Un producto puede ser la “materia prima” para fabricar un nuevo producto más complejo. Ej, tornillo.
•El producto fabricado también se utiliza para fabricar otros productos, Ej. MH
7
1.‐ Tecnologías de Fabricación
Definiciones
Las materias primas van pasando por diferentes procesos de fabricación donde van adquiriendo un cierto valor añadido.
*4
Ej: Redondo fundición –
*5
Laminado –
*6
Alambre –
Muelle
8
4
1.‐ Tecnologías de Fabricación
Definiciones
Tipos de Sistemas de Fabricación según el producto:
•Discreta Piezas individuales (Ej. Arandelas, Tornillos.). Mayoritariamente, suelen ser productos finales.
•Continua
Productos continuos que posteriormente se seccionan (Ej. Alambre, Tubería plástico). Mayoritariamente, suelen ser “materia prima” para otros procesos
9
1.‐ Tecnologías de Fabricación
Ejemplo de Fabricación: El Clip
10
5
1.‐ Tecnologías de Fabricación
Ejemplo de Fabricación: El Clip
Patentado en 1901, Johan Vaaler, Noruega
Diseño y fabricación de un clip
Requisito funcional:
Es un dispositivo que debe permitir mantener juntas varias hojas de papel.
•Si la rigidez es muy elevada, cuesta manejarlo.
•Si se deforma con demasiada facilidad no sujeta.
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1.‐ Tecnologías de Fabricación
Ejemplo de Fabricación: El Clip
Cuestiones Iniciales
•¿Qué tipo de material? Metálico – Plástico
•Metal: Tipo de metal y estado original
•Si es alambre: diámetro, forma de la sección •¿Son importantes el acabado y la apariencia?
•¿Cómo le damos forma? Manual – Mecánica •Maquinaria: fabricar específica, comprar
•¿Cuantos debo fabricar cada día?
12
6
1.‐ Tecnologías de Fabricación
Ejemplo de Fabricación: El Clip
Cuestiones para la selección del proceso
•¿Soporta el material la deformación sin romperse?
•¿Cuánto se desgastará la herramienta que corte el alambre?
•¿El corte dejará rebabas?
•¿Qué proceso es el más indicado económicamente para las condiciones de producción dadas?
Es necesario estudiar todas las actividades y recursos involucrados
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1.‐ Tecnologías de Fabricación
Actividades y Recursos
La fabricación es una actividad compleja que comprende una amplia variedad de recursos y actividades:
•Diseño del producto
•Selección del proceso de fabricación
•Selección de maquinaria y herramientas
•Selección de materiales
•Planificación del proceso
•Compras
•Fabricación
(1/2)
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7
1.‐ Tecnologías de Fabricación
Actividades y Recursos
La fabricación es una actividad compleja que comprende una amplia variedad de recursos y actividades:
•Control de la producción
•Servicios de soporte y mantenimiento
•Marketing
•Mercadotecnia
•Ventas
•Expedición
•Atención al cliente
(2/2)
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1.‐ Tecnologías de Fabricación
Respuesta a la Demanda y Tendencias
•Un producto debe satisfacer totalmente los requisitos de diseño, especificaciones y normas.
•Debe fabricarse mediante los métodos mas económicos y respetuosos con el medio ambiente.
•La calidad debe integrarse en cada etapa del proceso.
•Los sistemas de fabricación deben ser flexibles para responder a:
‐ las cambiantes demandas del mercado, ‐ los tipos de productos y ‐ variaciones de las capacidades de producción
(1/2)
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8
1.‐ Tecnologías de Fabricación
Respuesta a la Demanda y Tendencias
•Deben evaluarse constantemente los continuos desarrollos en:
‐ Nuevos materiales
‐ Procesos de fabricación
‐ Automatización e Integración
• Las actividades de Fabricación deben considerarse como un gran Sistema que se pueden modelar para estudiar el efecto que tienen sobre él diversas variables ( Ej.: cambios en la demanda, cambios en los precios, …)
•Se debe trabajar con el cliente para que fruto de la realimentación, se consiga la mejora continua del producto.
(2/2)
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1.‐ Tecnologías de Fabricación
Definiciones
Tecnologías de Fabricación
“Conocimientos referentes a los procesos de conformación de los materiales, a las máquinas, útiles instrumentos y sistemas de fabricación utilizados y a los controles y verificaciones necesarias para que las piezas se acaben de acuerdo con las normas y especificaciones establecidas; todo bajo un criterio económico de rentabilidad.”
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9
Índice
Tema 1.‐ Introducción a los Sistemas de Fabricación
1.‐ Tecnologías de fabricación
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.1 Estructura básica de un proceso
2.2 Modelo general de los procesos
2.3 Flujo de Material: Procesos Básicos
2.4 Flujo de Energía
2.5 Flujo de Información
3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
Para poder seleccionar la secuencia de fabricación técnica y económicamente razonable
se necesita disponer de una visión coherente de la estructura común en la que se basan todos los procesos que permite evaluar las diferentes posibilidades y limitaciones de los mismos.
No se entrará en los detalles de cada proceso individual, sino que se tratarán detalles invariables
20
10
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.1 Estructura básica de un proceso
Proceso : Cambio de las propiedades de un objeto
Propiedades
‐ Geometría
‐ Dureza
‐ Estado
‐ Contenido de información
Agentes del cambio:
‐ Material
‐ Energía
‐ Información
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.2 Modelo general de los procesos
Lo realizamos estudiando los flujos que se generan sobre los agentes antes comentados:
1. Flujo de Material
2. Flujo de Energía
3. Flujo de Información
Material más desperdicio (s)
Material (e)
Energía (e)
Proceso
Información (e)
Energía (s)
Información (s)
*7
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.2 Modelo general de los procesos
1.‐ Flujo de Material
El flujo de material se divide en 3 tipos principales:
•Flujo Directo, procesos de conservación de masa
•Flujo Divergente, procesos de reducción de masa
•Flujo Convergente, procesos de ensamble o unión
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.2 Modelo general de los procesos
1.‐ Flujo de Material
•Flujo Directo, procesos de conservación de masa
M(e)
Proceso
M(s) ~ M(e)
*7
La masa inicial del material de trabajo es igual a la del material final.
Cambio de Forma
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.2 Modelo general de los procesos
1.‐ Flujo de Material
•Flujo Divergente, procesos de reducción de masa
M(s) 1
M(e)
Proceso
*7
M(s) 2
M(e) ~ M(s)1 + M(s)2
La geometría final queda circunscrita dentro de la geometría inicial del material Cambio de forma eliminando material
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.2 Modelo general de los procesos
1.‐ Flujo de Material
•Flujo Convergente, procesos de ensamble o unión
M(e)1
M(e)2
Proceso
M(s)
M(s) ~ M(e)1 + M(e)2
*7
La geometría final se obtiene como el ensamblado o la unión de varios componentes que pueden haber sido modificados previamente, resultando la masa final igual a la suma de las masas de los componentes
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.2 Modelo general de los procesos
1.‐ Flujo de Material
Dependiendo del proceso, puede aparecer un flujo de material auxiliar tales como lubricantes o refrigerantes (sobre todo en los de pérdida de masa).
Estados del material:
•Sólido
•Líquido
•Granular (Diferencias tecnológicas)
•Gaseoso (No viable)
Se pueden dar procesos en los que se presenten varios materiales con diferentes estados.
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.2 Modelo general de los procesos
2.‐ Flujo de Energía
El flujo de energía se caracteriza por:
•Suministro de energía
•Transmisión de la energía a la pieza de trabajo
•Pérdida de energía
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.2 Modelo general de los procesos
3.‐ Flujo de Información
El flujo de información incluye información sobre la forma y las propiedades.
La geometría de una pieza será la información de entrada al proceso que +
unida a la información de cambio de forma
+
genera una información de salida.
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.2 Modelo general de los procesos
3.‐ Flujo de Información
La información de cambio de forma esta compuesta por:
‐ geometría de la herramienta
‐ movimiento relativo entre herramienta y pieza
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.2 Modelo general de los procesos
Modelo general del proceso de cambio: “Un flujo de material, que mediante un flujo de energía imprime una información que provoca un cambio de geometría”
Todo este cambio de forma se puede subdividir en varios procesos dependiendo de criterios: ‐ económicos
‐ tecnológicos (Ej. imposibilidad física de un mov. herram.)
Is= Ie + Ip1 + Ip2 + ....
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.2 Modelo general de los procesos
De igual forma que la geometría, existen variaciones en las otras propiedades tales como dureza y resistencia.
Todo proceso queda gobernado por una información de control de tipo analítico que recoge conocimiento de fuerzas, potencias, rozamientos, parámetros de corte...
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
Flujo de energía
Entrada de
Energía
Flujo de material
Material (e)
Información de
Control
Material (s)
Proceso de Material
Información de forma (e)
Flujo de información de forma
Información de forma (s)
Salida de
Energía (Pérdidas)
*7
Modelo general de los procesos
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.3 Flujo de Material: Procesos Básicos
Se caracterizan por la naturaleza de su interacción con el material.
Procesos Básicos primarios que cambian la geometría
MECÁNICOS
• Deformación Plástica / Elástica
• Fractura Frágil / Dúctil
• Flujo (llenado) TÉRMICOS
•Fusión
•Evaporación
QUÍMICOS
•Disolución
•Deposición
•Combustión
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.3 Flujo de Material: Procesos Básicos
•Aquí tiene una influencia vital el tipo de material a tratar ya que los diferentes materiales reaccionan de maneras muy diversas ante la misma acción.
Ej. Calor => Plástico / Metal
•Hay que tener en cuenta que:
“Los procesos básicos de cada fase determinan el nº y los tipos de procesos que se efectúan en la siguiente.”
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.3 Flujo de Material: Procesos Básicos
Normalmente se producen secuencias de procesos básicos que se pueden agrupar en 3 fases típicas:
1. Preprocesos. Adecuar el material para comenzar a trabajar, (Ej. calentamiento, recortes, etc.)
2. Procesos de creación de la geometría.
3. Postprocesos. Acabado del producto, (Ej. eliminación de rebabas) Es muy importante esta división para una buena planificación de los procesos
36
18
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.3 Flujo de Material: Procesos Básicos
Según el flujo de material, los procesos de clasifican en:
1. Conservación de Masa
2. Reducción de Masa
3. Unión de Masa
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.4 Flujo de Energía
Realmente cabría distinguir los flujos de energía en dos:
1. Características de la energía suministrada por el equipo
2. Cómo se suministra energía al material y al medio de transferencia
Los estudiaremos según la siguiente clasificación:
• Flujo de energía para procesos básicos mecánicos
• Flujo de energía para procesos básicos térmicos
• Flujo de energía para procesos básicos químicos
38
19
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.4 Flujo de Energía
MECÁNICOS
• Deformación Plástica / Elástica
• Fractura Frágil / Dúctil
• Flujo (llenado)
¿Como se puede proporcionar la energía en un proceso básico mecánico?
1. Movimientos relativos entre el medio transmisor y el material.
2. Diferencias de presión a través del material de trabajo.
3. Fuerzas de masa generadas en el material de trabajo (gravedad, campos magnéticos).
Debemos tener en cuenta el estado de los medios de transferencia de la energía en cada caso. Se seleccionan según las especificaciones del proceso. (Ej. Rígido, granular, fluido, gaseoso, elástico, aceleraciones, …)
39
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.4 Flujo de Energía
MECÁNICOS
• Deformación Plástica / Elástica
• Fractura Frágil / Dúctil
• Flujo (llenado)
Fuentes de energía utilizables para los procesos mecánicos
A.‐ Energía Mecánica
B.‐ Energía Eléctrica
C.‐ Energía Química
D.‐ Energía Térmica
40
20
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.4 Flujo de Energía
MECÁNICOS
• Deformación Plástica / Elástica
• Fractura Frágil / Dúctil
• Flujo (llenado)
Fuentes de energía utilizables para los procesos mecánicos
A.‐Mecánica
Cinética
Potencial
Presión en un medio
Vacío
B.‐Eléctrica
Campos electromagnéticos
Bobina
Motor eléctrico
Efecto piezoeléctrico Magnetostricción
Descarga entre electrodos
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.4 Flujo de Energía
MECÁNICOS
• Deformación Plástica / Elástica
• Fractura Frágil / Dúctil
• Flujo (llenado)
Fuentes de energía utilizables para los procesos mecánicos
C.‐Química
Combustión
Explosión
(Se convierte en mecánica)
D.‐Térmica
Expansión térmica
Directa
Indirecta Relativa
42
21
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
TÉRMICOS
• Fusión
•Evaporación
2.4 Flujo de Energía
¿Como se puede proporcionar la energía en un proceso básico térmico?
¿ Como actúan los procesos térmicos ?
‐ Fusión
‐ Evaporación
Necesitamos una fuente de calor que nos lo genere
Ahora debe llegar al material pero puede hacerlo por diferentes métodos: (Mecanismos de Transferencia)
1. Conducción Térmica
2. Radiación Electromagnética
3. Convección
43
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.4 Flujo de Energía
TÉRMICOS
• Fusión
•Evaporación
Fuentes de energía utilizables para los procesos térmicos
MECÁNICA
Rozamiento
ELÉCTRICA
Conducción
Inducción
Pérdida dieléctrica
Formación Arcos: 6.000º C
Chispas: 25.000º C Electro erosión
Haces de electrones: 10e7 W/mm2 (densidad de energía)
Láser: 10‐100 micras de diámetro
44
22
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
TÉRMICOS
• Fusión
•Evaporación
2.4 Flujo de Energía
Fuentes de energía utilizables para los procesos térmicos
QUÍMICA
Combustión
Reacciones químicas
TÉRMICA
Transmitir el calor almacenado por el medio que mejor convenga
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2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.4 Flujo de Energía
QUÍMICOS
•Disolución
•Deposición
•Combustión
Fuentes de energía utilizables para los procesos químicos
En general no requieren aporte externo de energía Eléctrica ni Mecánica. En algunos casos se necesita energía para el inicio de la reacción o su mantenimiento.
Se generan en la propia reacción.
Disolución (pulido)
Deposición
Combustión
46
23
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.5 Flujo de Información
Impresión de la información de forma en el material.
Si nos fijamos en los distintos movimientos herramienta‐material obtenemos 4 modos diferentes de conformación en función de la cantidad de información geométrica que contiene el medio de transferencia:
1.
2.
3.
4.
Conformación Libre
Unidimensional
Bidimensional Total Ej. Torsión
Ej. Laminación
Ej. Torno
Ej. Forja
47
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.5 Flujo de Información
Procesos Conservación de Masa
Distinguiremos en función del estado del material:
•Sólido
•Granular
•Líquido
48
24
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.5 Flujo de Información
Procesos Conservación de Masa
Material Sólido
Es el caso de la deformación plástica y elástica.
Para decidir si un proceso en concreto se puede aplicar a un material en particular deben considerarse: •
•
•
•
los esfuerzos del material
deformaciones
velocidades de deformación
temperaturas
Esto permite calcular las necesidades de energía y fuerza
*8
49
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.5 Flujo de Información
Procesos Conservación de Masa
Material Granular
A los materiales granulares se les da forma mediante un proceso de:
‐ Flujo (llenado y colocación) seguido de una ‐ Estabilización (deformación plástica y/o endurecimiento)
50
25
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.5 Flujo de Información
Procesos Conservación de Masa
Material Líquido
•Es el caso de la Fundición
•Flujo + Estabilización
Cuando el molde es Cerrado
El Flujo puede ser el único generador de la forma seguida de una estabilización separada o integrada
Cuando el molde es Abierto
Se suele utilizar un campo de fuerza como la gravedad o la aceleración para dar la forma
51
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.5 Flujo de Información
Procesos Reducción de Masa
Para estos procesos (que se utilizan con sólidos) la impresión de la información se realiza con procesos básicos de tipo mecánico, térmico y químico. Estos se pueden aplicar mediante 4 métodos de arranque de material. A su vez, podremos distinguir cuando la herramienta además de transmitir energía aporta información geométrica.
52
26
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.5 Flujo de Información
Procesos Reducción de Masa
1. Procesos de Arranque de Material.
2. Procesos de eliminación sin información geométrica en la herramienta.
3. Procesos de eliminación de material con información de la herramienta.
4. Procesos de corte de material.
53
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.5 Flujo de Información
Procesos Reducción de Masa
1. Procesos de Arranque de Material.
•Se incluyen los métodos tradicionales de corte.
•El proceso básico primario es la fractura creado por movimientos relativos entre material y herramienta.
•La información de forma comprende los movimientos relativos junto con la geometría de la herramienta.
•Respecto a los movimientos los clasificamos en:
Corte
Avance Aproximación, Penetración
54
27
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.5 Flujo de Información
Procesos Reducción de Masa
1. Procesos de Arranque de Material.
Podemos clasificar las herramientas dependiendo del filo:
Un solo filo (plaquita)
Filo múltiples (fresa)
o de su geometría;
Geometría de filo bien definida (plaquita,broca) Geometría de filo sin definir (Muela)
55
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.5 Flujo de Información
Procesos Reducción de Masa
1. Procesos de Arranque de Material.
•A la hora de crear una superficie, normalmente la mayor cantidad de información reside en los parámetros del movimiento ya que la información de los contornos de la herramienta es muy breve.
•Existe una gran cantidad de maquinaria que contempla la mayoría de combinaciones posibles de movimientos material herramienta.
56
28
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.5 Flujo de Información
Procesos Reducción de Masa
2. Procesos de eliminación sin información geométrica en la herramienta.
•La energía necesaria cubrirá un punto, una línea o una área.
•Lo interesante será la sección transversal de la fuente de energía unido a los patrones de movimiento que se le confieran.
•A veces se utilizan medios intermedios que impidan el efecto del proceso básico al material o combinaciones.
(Ej. Haz de electrones, Láser)
*9
57
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.5 Flujo de Información
Procesos Reducción de Masa
3. Procesos de eliminación de material con información de la herramienta.
•La herramienta no entra en contacto directo con el material pero genera información geométrica dependiente de su propia geometría unida a los patrones de movimiento. •Se utiliza un medio intermedio fluido. •Ej.: electroerosión, electroquímico
*10
58
29
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.5 Flujo de Información
Procesos Reducción de Masa
4. Procesos de corte de material.
•Son mecánicos por fractura que el que consideramos como material eliminado el material sobrante. •Ej.: (cizallamiento, punzonado)
*11
59
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.5 Flujo de Información
Procesos Unión de Masa
•Aquí no se imprime información por sí mismo. La información se obtiene juntando e inmovilizando componentes producidos por los otros tipos de procesos.
•El proceso de ensamble se basa en enlaces atómicos, adhesión o sujeción mecánica
*12
60
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Índice
Tema 1.‐ Introducción a los Sistemas de Fabricación
1.‐ Tecnologías de fabricación
2.‐ Morfología de los procesos de fabricación
2.1 Estructura básica de un proceso
2.2 Modelo general de los procesos
2.3 Flujo de Material: Procesos Básicos
2.4 Flujo de Energía
2.5 Flujo de Información
3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos
61
3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos
3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos
Conservación de masa
*3
62
31
3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos
3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos
Conservación de masa
*3
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3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos
3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos
Reducción de masa
*3
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3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos
3.‐ Procesos de fabricación: Ejemplos
Unión de masa
*3
65
Referencias
Referencias
S. Kalpakjian, S.R. Schmid, (2008) Manufactura, Ingeniería y Tecnología, Pearson Educación, ISBN 10: 970‐26‐1026‐5
L. Alting, (1990) Procesos para Ingeniería de Manufactura, Alfaomega, México, ISBN: 968 62 2300 2
Figuras
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
http://nonperfect.files.wordpress.com/2011/09/llave.jpg
http://i1.8000vueltas.com/2009/04/997‐gt2‐esquema.jpg
S. Kalpakjian, S.R. Schmid, (2008) Manufactura, Ingeniería y Tecnología, Pearson Educación, ISBN 10: 970‐26‐1026‐5
http://spanish.alibaba.com/p‐detail/H21‐Barra‐Redonda‐300000065181.html
http://guadalajara.olx.com.mx
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L. Alting, (1990) Procesos para Ingeniería de Manufactura, Alfaomega, México
http://www.gnclaser.es/aplicaciones/ver.php?id=es&Naplica=1202369921
http://www.idasa.com/newportal/sub_menu/productos/idaCut/Laser/intro.htm
http://www.elitedie.eu/index2.asp?pid=8
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