Los procesos de fabricación son la piedra angular de la industria moderna y abarcan todos los métodos de transformar materias primas en piezas o estructuras terminadas. Desde los coches que conducimos y los teléfonos inteligentes que utilizamos hasta los rascacielos en los que vivimos, todo es posible gracias a diversas tecnologías de fabricación. Comprender los principales tipos de fabricación nos ayuda a comprender mejor un mundo definido por el arte de la ingeniería. Básicamente, la fabricación se puede dividir en las siguientes categorías principales.
Fabricación sustractiva: el arte de la artesanía fina
La fabricación sustractiva es el proceso de eliminar sistemáticamente el exceso de material de una pieza sólida de material para crear la geometría deseada. Es como un escultor cortando elementos superfluos para revelar la estatua escondida en el mármol. Los procesos de mecanizado como torneado, fresado, taladrado y rectificado se encuentran entre los métodos de fabricación sustractiva más populares.
Estos programas han sido transformados utilizando tecnología de Control Numérico por Computadora (CNC). Las máquinas CNC utilizan instrucciones de software pre-programadas para mover herramientas de corte en tres dimensiones con precisión de micras. Según las estadísticas, el mecanizado CNC puede alcanzar una tolerancia de ±0,005 mm al fabricar piezas metálicas de alta-precisión, que es aproximadamente una cuarta parte del diámetro de un cabello humano. Esta precisión excepcional hace que la fabricación sustractiva sea una opción popular para industrias que exigen piezas de alta precisión, como la aeroespacial, los dispositivos médicos y los motores de automóviles. Por ejemplo, los cilindros de motores de automóviles requieren docenas de operaciones de fresado y taladrado de precisión para garantizar un ajuste perfecto entre el pistón y la pared del cilindro, lo que da como resultado un sellado eficiente y una operación de baja-fricción. La ventaja de la fabricación sustractiva es que puede producir piezas con excelente calidad superficial y precisión dimensional, pero la desventaja es que produce una gran cantidad de material.
Formar: el poder de remodelar
A diferencia de la fabricación sustractiva, el conformado mantiene la masa o el volumen de una lámina de metal relativamente constante mientras cambia su forma aplicando fuerzas externas en lugar de eliminar material. Este proceso aprovecha las propiedades de deformación plástica del material. La forja, la extrusión, el estampado y el doblado son métodos de formado comunes.
Para formar una V, U u otros contornos complejos, doblar implica aplicar presión a la lámina de metal para deformarla permanentemente en un ángulo específico. Por el contrario, el estampado utiliza troqueles y alta presión para darle rápidamente la forma deseada a la lámina de metal. Las puertas de automóviles y las carcasas de chasis son ejemplos comunes de piezas estampadas. Gracias a las líneas de prensa modernas y de alto-rendimiento, los tiempos de ciclo de más de 15 veces por minuto permiten una producción eficiente a gran-escala. La forja es un método de formación más antiguo que utiliza un martillo o una prensa para deformar plásticamente una pieza de metal calentada en un troquel. El proceso de forjado rompe la estructura interna del metal, refina el tamaño del grano y crea líneas continuas de flujo de fibra, lo que mejora significativamente la resistencia, la tenacidad y la vida útil de la pieza. Los datos muestran que las piezas forjadas tienen una capacidad de carga promedio-entre un 20% y un 30% mayor que las piezas fundidas. Esto hace que la forja sea indispensable para fabricar componentes críticos-que soportan carga, como trenes de aterrizaje de aviones, ejes de transmisión de camiones y engranajes para maquinaria pesada.
Unirse a la fabricación: el arte de construir un todo a partir de piezas
Muchos productos son complejos y no pueden construirse a partir de piezas individuales. Se requieren procesos de fabricación de unión para ensamblar múltiples piezas independientes en una unidad completa y funcional. Unir la fabricación es un paso crítico en la construcción de grandes estructuras y equipos complejos. Los métodos de unión más comunes incluyen soldadura, remachado y atornillado.
Para crear una conexión permanente entre dos piezas de trabajo de metal diferentes, la soldadura requiere el uso de calor, presión o ambos. La soldadura por arco, la soldadura por láser y la soldadura por resistencia son tres tipos de soldadura que dependen de la fuente de calor y el proceso. Las estaciones de soldadura robóticas modernas no solo pueden soldar más de tres veces más rápido que los trabajadores calificados, sino que también pueden trabajar las 24 horas del día y mantener una repetibilidad y consistencia extremadamente altas. Las soldaduras en la industria de la construcción naval pueden tener cientos de kilómetros de longitud y la seguridad estructural general del barco está directamente relacionada con la calidad de las soldaduras. Las conexiones mecánicas llamadas remaches se forman al introducir el remache a través de un orificio pre-perforado en la pieza de trabajo y deformar el extremo del remache para asegurarlo en su lugar. Aunque la soldadura ha reemplazado al remachado en algunas aplicaciones debido a su resistencia superior a los golpes y vibraciones, el remachado todavía se usa con frecuencia en fuselajes de aviones y puentes ferroviarios de aluminio. Las conexiones atornilladas son desmontables, lo que facilita el montaje y el mantenimiento, y se utilizan comúnmente en estructuras de acero y marcos de equipos mecánicos.
Fabricación aditiva: la revolución capa-por-capas
Una de las innovaciones de fabricación más revolucionarias de las últimas décadas es la fabricación aditiva (o impresión 3D). Se necesita un enfoque muy diferente a la fabricación sustractiva: construir objetos tridimensionales-directamente mediante capas de materiales. Primero, crea un modelo 3D en tu computadora. Luego, el software "corta" el modelo en innumerables capas delgadas. Luego, el equipo de fabricación aplica el material capa por capa, solidificando o fusionando cada capa para finalmente "imprimir" todo el objeto de abajo hacia arriba.
Las tecnologías de impresión 3D de metal, como la fusión selectiva por láser, utilizan un rayo láser de alta-energía para fundir y solidificar por completo un polvo metálico de tamaño micrométrico-. Esta tecnología básicamente rompe las limitaciones de la complejidad geométrica del mecanizado tradicional, permitiendo fabricar piezas con complejos canales de refrigeración, estructuras ligeras similares a panales y componentes integrados que no pueden fabricarse con tecnologías tradicionales o requieren el montaje de un gran número de piezas. Las investigaciones muestran que una boquilla de combustible de motor de avión optimizada e impresa en 3D puede integrar 20 piezas diferentes en una, reduciendo así el peso en un 25 % y mejorando significativamente la eficiencia del combustible. Aunque la impresión 3D en metal actualmente carece de ventajas en términos de velocidad y costo de producción en masa, está desempeñando un papel insustituible en la creación rápida de prototipos, implantes médicos personalizados y la fabricación de componentes aeroespaciales complejos.
Modificación y acabado de propiedades de materiales: la máxima garantía de calidad
El proceso de fabricación no se limita a cambiar la forma o unir componentes. Para garantizar-un funcionamiento confiable a largo plazo en condiciones específicas, se requiere una serie de procesos para alterar las propiedades del material o la condición de la superficie. Estos incluyen el tratamiento térmico y el tratamiento de superficies.
Para cambiar la microestructura interna de un metal sólido o aleación y permitirle obtener las propiedades deseadas, el tratamiento térmico requiere calentarlo a una temperatura predeterminada, mantenerlo durante un tiempo predeterminado y luego enfriarlo a una velocidad adecuada. Por ejemplo, el temple puede aumentar significativamente la resistencia y dureza del acero manteniendo su filo o creando una superficie-resistente al desgaste. El templado se realiza inmediatamente después del templado para aumentar la tenacidad del material y reducir su fragilidad. Un procedimiento de tratamiento térmico exhaustivo puede prolongar varias veces la vida útil de sus engranajes. El objetivo del tratamiento superficial es mejorar las propiedades superficiales de la pieza. Por ejemplo, los recubrimientos pueden mejorar la protección y la estética, el chorro de arena puede limpiar superficies y la galvanoplastia puede mejorar la resistencia a la corrosión.
Conclusión
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