Ingenieria del procesamiento de materiales by MOSingenieros

INGENIERÍA DEL PROCESAMIENTO DE MATERIALES

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Directorio DR. José Enrique Villa Rivera Director General DR. Efrén Parada Arias Secretario General DRA. Yoloxóchitl Bustamante Díez Secretaria Académica DR. José Madrid Flores Secretario de Extensión e Integración Social DR. Luis Humberto Fabila Castillo Secretario de Investigación y Posgrado DR. Héctor Martínez Castuera Secretario de Servicios Educativos DR. Mario Alberto Rodríguez Casas Secretario de Administración LIC. Luis Antonio Ríos Cárdenas Secretario Técnico ING. Luis Eduardo Zedillo Ponce de León Secretario Ejecutivo de la Comisión de Operación y Fomento de Actividades Académicas Ing. Jesús Ortiz Gutiérrez Secretario Ejecutivo del Patronato de Obras e Instalaciones ING. Julio Di-bella Roldán Director de XE-IPN TV Canal 11 LIC. Luis Alberto Cortés Ortiz Abogado General LIC. Arturo Salcido Beltrán Director de Publicaciones

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INGENIERÍA DEL PROCESAMIENTO DE MATERIALES

José Claudio Cenobio Méndez García David Jaramillo Vigueras María del Pilar Eréndira García Nieto

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL – México –

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Ingeniería del procesamiento de materiales Primera edición: 2007 D.R. © 2007 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL Dirección de Publicaciones Tresguerras 27, 06070, México, DF. ISBN: 970-93431-2-2 FIPN: 2007-114 Impreso en México / Printed in Mexico

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Agradecimientos

El presente libro es la conclusión del análisis de la información recopilada durante varios años de práctica académica, fue posible gracias a la participación de nuestros alumnos y compañeros; es producto del Proyecto de Investigación CGPI 20010729, que forma parte del Programa de Investigación denominado “Vinculación de los Procesos de Manufactura en el Sector Industrial.”

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De los autores José Claudio Cenobio Méndez García

Ingeniero Metalúrgico esiqie-ipn, Maestrías en Administración de Empresas ega-items y Enseñanza Superior enep-Aragón unam. Especializado en control estadístico de proceso. Proyectos de inversión y en fabricación de aleaciones especiales de aluminio en Alemania y en moldeo de piezas metálicas en Japón. Profesor Investigador y Becario por exclusividad de cofaa y edd. Ha sido funcionario en empresas manufactureras y de la Industria Minera. También es asesor de diversas empresas privadas.

David Jaramillo Vigueras

Ingeniero Metalúrgico esiqie-ipn. Cursó estudios Doctorales en Metalurgia en el Instituto Tecnológico de Nuevo México, en donde obtuvo el premio langmuir a la mejor investigación. Profesor de tiempo completo en el ipn, Miembro del Sistema Nacional de Investigadores desde 1987, nivel actual: II. Asesor de diversas empresas privadas, fundador del Centro de Procesos Metalúrgicos e Ingeniería de Materiales de esiqie, distinguido con el Diploma a la Investigación y Dirección de la mejor Tesis de Doctorado en Ingeniería del ipn, Investigador del año por la Sociedad Mexicana de Fundidores y Premio Hilario Araiza Dávila por su trayectoria en Investigación. Actualmente es Director del

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Centro de Investigación e Innovación Tecnológica del Instituto Politécnico Nacional.

María del Pilar Eréndira García Nieto

Licenciada en Ciencias y Técnicas de la Información de la uia, Maestra en Enseñanza Superior de la enep-Aragón unam, Profesora de la Academia de Humanidades de la upiicsa impartiendo las asignaturas de Comunicación Profesional. Becaria por exclusividad de cofaa y de estímulo al desempeño docente.

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Contenido Agradecimientos................................................................................. 7 De los autores........................................................................................ 9 INTRODUCCIÓN........................................................................................ 13

Procesos de manufactura y su clasificación 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.

SISTEMAS DE MANUFACTURA ............................................ 17 BENEFICIO DE LOS MINERALES ......................................... 24 TRANSFORMACIÓN DE MINERALES EN METALES..... 36 OBTENCIÓN DEL ACERO ...................................................... 56 CONFORMADO DE METALES .............................................. 77

Extracción y Refinación del Petróleo 2.1. EXTRACCIÓN ............................................................................... 88 2.2. Refinado...................................................................................... 101 2.3. PROCESOS QUÍMICOS EN LA INDUSTRIA DE LA REFINACIÓN................................................................... 104

Sistemas Modernos de Manufactura 3.1. MANUFACTURA ASISTIDA POR COMPUTADORA CAM (por sus siglas en inglés) ........................................ 119 3.2. MANUFACTURA INTEGRADA POR COMPUTADORA CIM (por sus siglas en inglés) ......................................... 138 3.3. SISTEMAS DE MANUFACTURA FLEXIBLE ....................... 155

Planeación y Control de la Producción 4.1. TIPOS DE PRODUCCIÓN ....................................................... 175 11

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Una revolución en la producción 5.1. 5.2. 5.3. 5.4.

Biografía de Shigeo Shingo....................................... 193 POKA-YOKE ................................................................................... 201 HERRAMIENTAS DE MEJORA CONTINUA .................... 226 Cambios rápidos de herramientas........................ 229

Kanban como Proceso de Mejora Continua 6.1. Fundamentos de Kanban .............................................. 241 6.2. La filosofía justo a tiempo ......................................... 264

Aseguramiento de la calidad y manufactura de clase mundial 7.1. Organización para el aseguramiento de la calidad .......................................................................... 295 7.2. Sistema de calidad ISO 9000:2001 ............................... 297 7.3. Ingeniería de manufactura ...................................... 304 7.4. Manufactura de clase mundial ............................. 306 Bibliografía ..................................................................................... 325

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INTRODUCCIÓN Rápidamente eche un vistazo a su alrededor. ¿Qué fue lo que vio?, ¿una estructura de acero?, ¿una pared construida con ladrillo o pintada?, ¿quizás una ventana con vidrios y cortinas de nylon o persianas?, ¿un cuadro de una pintura al óleo sobre la pared?, ¿sillas de madera o metal cubiertas con plástico? o fíjese en su ropa. ¿De qué fibras están hechas o qué tipo de pintura produjo sus colores?, ¿con qué tipo de jabón o detergente fueron lavados?, ¿son las suelas de sus zapatos de plástico inyectado?, ¿quizás usa tenis de fibras sintéticas y amortiguadores de gel? Y en el hogar y las calles, cómo se fabricaron: su maquillaje, su desodorante o su perfume, los alimentos, las bebidas, los medicamentos, las computadoras, los automóviles, los equipos electrónicos y el pavimento de la calle. Tan pronto como usted realiza esta observación se percata de que, prácticamente todo lo visto, está constituido por materiales o productos de alguna industria. A propósito, su cuerpo es también un impresionante reactor químico. Es tan complejo, que nuevas disciplinas han surgido para empezar a aprender y a entender los secretos de las muchas, extrañas y maravillosas cosas que ocurren dentro de él.

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De estas observaciones, nos resulta sorprendente que la ingeniería haya venido ganando importancia en nuestra vida diaria y en el desarrollo de los materiales que la hacen más placentera y funcional. Por otro lado, la ciencia e ingeniería de materiales es el término usado para describir la rama general de la ingeniería que involucra a los materiales. Su estudio constituye una verdadera mezcla de estudios científicos y prácticas de ingeniería fundamentales. Ha crecido para incluir contribuciones de diversos campos tradicionales de la ingeniería, entre otros: la metalurgia, ingeniería de cerámicos, química de polímeros, física y química del estado sólido, además de conocimientos en las ciencias exactas: matemáticas, física y química. En lo que respecta al área de materiales, se puede establecer que su surgimiento, en general, se ha constituido como un factor en el desarrollo global de los países, y ha sido claramente definido durante la década de 1980. Los avances logrados en la compresión de la física y química básica de los materiales han permitido la mejor utilización y control de sus propiedades. Asimismo, estos conocimientos han conducido al desarrollo de un gran número de procesos y materiales con mejores propiedades específicas. Los ejemplos que se pueden dar a este respecto son numerosos, contando entre ellos, a los materiales compuestos, los cerámicos electrónicos y estructurales, la fibra óptica, los semiconductores y los superconductores. Los avances en el desarrollo de los materiales se refleja en progresos en áreas como la comunicación, la computación, la electrónica y la biotecnología entre otros. Dentro del estudio de los materiales que se están proponiendo en esta obra iniciaremos con la clasificación de los procesos de manufactura, desde su extracción, transformación y conformado a bienes de consumo, tomando como ejemplos dos materiales básicos: el acero y el petróleo. Se han tomado como base por ser los que producen mayor actividad económica. En el caso del acero, es bien sabido que éste mueve a las industrias del transporte, debido a la fabricación de barcos, trenes y automóviles, la de construcción, con la producción de estructuras, varilla, alambrón y otros, haciendo que las

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Introducción

empresas cementeras generen actividad; la de los electrodomésticos, en la producción de bienes para el hogar. El petróleo por su parte es otro motor económico que mueve a muchas otras empresas, tales como las de explotación, refinación y derivado de infinidad de productos para las industriales química, farmacéutica, de plásticos, textiles, fertilizantes, etcétera. Asimismo se contemplan procesos en los que se utiliza equipo con tecnología en beneficio de la manufactura. Enseguida se tratan temas acerca del control de la producción, la optimización de los procesos a través de técnicas en las que el ingrediente principal es el sentido común, mostrando al lector la importancia de que los cambios deben hacerse en forma ordenada y sistemática, con ello se lograrán procesos de producción eficientes, encaminados al incremento de la productividad.

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Procesos de manufactura y su clasificación 1.1. SISTEMAS DE MANUFACTURA Las tendencias mundiales están desplazando los sistemas de manufactura tradicional hacia la fabricación de productos de mayor calidad, a mantener inventarios al mínimo nivel, a usar líneas de producción flexibles, a automatizar los productos y a utilizar estratégicamente la información. Las compañías han invertido en tecnología y revisado las formas de administrar sus negocios como respuesta a los cambios del mercado. En algunas industrias los robots han resultado ser más baratos y mejores que los seres humanos. Otras industrias están tratando de conjuntar las operaciones de manufactura para que sean totalmente automáticas y que el personal se encargue sólo de dar mantenimiento y servicio. Así como en el área de manufactura han aparecido tecnologías y herramientas que han propiciado el desarrollo de sistemas de manufactura flexible, así también en el área administrativa se han diseñado diferentes tecnologías y herramientas que propician la optimización de la empresa. Existen varios mecanismos a través de los cuales se analizan los costos y se establecen los planes de acción para la mejora. Uno de los más utilizados es el de formación de comités o grupos. Entre las principales ventajas que ofrece un sistema de administración de costos están: 17

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• • • • •

Poner en evidencia los costos que no agregan valor. Identificar los procesos caros o poco eficientes. Permitir auditar inversiones de capital. Mejorar la actuación en la toma de decisiones. Permitir utilizar un sistema de costos a un nivel estratégico.

Los indicios más comunes de un sistema de costos, son los siguientes: • • • • • •

En relación con el rendimiento. En relación con la competencia. En relación con las decisiones sobre precios de productos. En relación con los inventarios. En relación con los costos. En relación con los usuarios. En relación con los cambios

Una de las principales tecnologías que responden a este nuevo sistema de costos para incrementar la compatibilidad de las empresas es el costeo basado en actividades, herramienta que facilita el proceso de toma de decisiones, así como el diseño de estrategias de las empresas, al ofrecer información más exacta y confiable sobre los costos que los otros sistemas de información tradicionales, donde el método de asignación de los costos indirectos es totalmente arbitrario. Uno de los principales problemas para determinar el costo de los productos en los sistemas de costeo tradicionales es el de la asignación a los productos de los gastos indirectos de fabricación, venta y administración. Se consideran gastos de periodo y no costos del producto. Muchas empresas implantan programas con la finalidad de contrarrestar los problemas de liquidez y rentabilidad debido a la competencia, entre estos se puede hacer mención de: •

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Controles presupuestales muy estrictos.

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• • •

Restricciones en el uso de recursos de la organización. Disminución de posiciones. Disminución de personal en forma generalizada.

Para lograr la mejora de una organización es indispensable contar con información de las actividades realizadas y el costo de las mismas, lo cual permite efectuar un análisis para establecer prioridades en los esfuerzos a realizar. El costeo con base en actividades mediante sus costos generadores ayuda a identificar oportunidades de mejora. La administración con base en actividades tiene dos objetivos principales: a) Incrementar el valor agregado al cliente. b) Incrementar las utilidades de la empresa a través del valor agregado que se le proporciona al cliente. Fundamentos de los sistemas de manufactura Ingeniería de manufactura Es la ciencia que estudia los procesos de conformado y fabricación de componentes mecánicos con la adecuada precisión dimensional, así como de la maquinaria, herramientas y demás equipos necesarios para llevar a cabo la realización física de tales procesos, su automatización, planificación y verificación. La ingeniería de manufactura es una función que lleva a cabo el personal técnico, y está relacionado con la planeación de los procesos de manufactura para la producción económica de productos de alta calidad. Su función principal es preparar la transición del producto desde las especificaciones de diseño hasta la manufactura de un producto físico. Su propósito general es optimizar la manufactura dentro de la empresa determinada. El ámbito de la ingeniería de manufactura incluye muchas actividades y responsabilidades que dependen del tipo de operaciones de producción que realiza la organización particular. Entre las actividades usuales están las siguientes:

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1. 2. 3.

Planeación de los procesos. Solución de problemas y mejoramiento continuo. Diseño para capacidad de manufactura.

La plantación de procesos implica determinar los procesos de manufactura más adecuados y el orden en el cual deben realizarse para producir una parte o producto determinado, que se especifican en la ingeniería de diseño. El plan de procesos debe desarrollarse dentro de las limitaciones impuestas por el equipo de procesamiento disponible y la capacidad productiva de la fábrica. Planeación tradicional de procesos Tradicionalmente, la planeación de procesos la llevan a cabo ingenieros en manufactura que conocen los procesos particulares que se usan en la fábrica y son capaces de leer dibujos de ingeniería con base en su conocimiento, capacidad y experiencia. Desarrollan los pasos de procesamiento que se requieren en la secuencia más lógica para hacer cada parte. A continuación se mencionan algunos detalles y decisiones requeridas en la plantación de procesos. • • • • • • • • •

Procesos y secuencias. Selección del equipo. Herramientas, matrices, moldes, soporte y medidores. Herramientas de corte y condiciones de corte para las operaciones de maquinado. Métodos. Estándares de trabajo. Estimación de los costos de producción. Estimación de materiales. Distribución de planta y diseño de instalaciones.

Procesos para partes

Los procesos necesarios para manufactura se determinan en gran medida por el material con que se fabrica la parte. El diseñador del producto selecciona

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el material con base en los requerimientos funcionales. Una vez seleccionado el material, la elección de los procesos posibles se delimita considerablemente. En este análisis de los materiales para ingeniería proporcionamos guías para el procesamiento de cuatro grupos: • • • •

Metales. Cerámicos. Polímetros. Materiales compuestos.

Una típica secuencia de procesamiento para fabricar una parte separada consiste en: • • • • •

Materia prima inicial. Procesos básicos. Procesos secundarios. Procesos para el mejoramiento de las propiedades. Operaciones de acabado.

Un proceso básico establece la geometría inicial de la parte. Entre ellos están el colocado de metales, el forjado y el laminado de chapas metálicas. En la mayoría de los casos, la geometría inicial debe refinarse mediante una serie de procesos secundarios. Estas operaciones transforman la forma básica en la geometría final. Hay una correlación entre los procesos secundarios que pueden usarse y el proceso básico que proporciona la forma inicial. La selección de ciertos procesos básicos reduce la necesidad de procesos secundarios. Gracias a que con el modelo se obtienen características geométricas detalladas de dimensiones precisas. Después de operaciones de formado, por lo general se hacen operaciones para mejorar las propiedades, incluyen el tratamiento térmico en componentes metálicos y cristalería. En muchos casos, las partes no requieren estos pasos de mejoramiento de propiedades en su secuencia de procesamiento. Las operaciones de acabado son las últimas de la secuencia; por lo general proporciona

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un recubrimiento en la superficie de la parte de trabajo (o ensamble). Entre estos procesos están el electro deposición y la pintura. Desarrollo histórico de los procesos de manufactura El punto de partida de los procesos de manufactura moderna puede acreditarse a Eli Whitney, con su máquina despepitadora de algodón, sus principios de fabricación intercambiables o su máquina fresadora. Sucesos llevados a cabo en la década de 1880; también en esta época aparecieron otros procesos industriales como consecuencia de la Guerra Civil en los Estados Unidos que proporcionó un nuevo impulso al desarrollo de procesos de manufactura de aquel país. El origen de la experimentación y análisis en los procesos de manufactura se acreditaron en gran medida a Fred W. Taylor quien un siglo después de Whitney publicó los resultados de sus trabajos sobre el labrado de los metales aportando una base científica para hacerlo. El contemporáneo Mirón L. Begeman y otros investigadores o laboratoristas lograron nuevos avances en las técnicas de fabricación, estudios que se han aprovechado en la industria. El conocimiento de los principios y la aplicación de los servomecanismos levas, electricidad, electrónica y las computadoras hoy día permiten al hombre la producción de las máquinas. Clasificación de los procesos de manufactura De acuerdo con esta definición y a la vista de las tendencias y estado actual de la fabricación mecánica y de las posibles actividades que puede desarrollar el futuro ingeniero en el ejercicio de la profesión, los contenidos de la disciplina podrían agruparse en las siguientes áreas temáticas:

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• • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Procesos de conformación sin eliminación de material. Por fundición. Por deformación. Procesos de conformación con eliminación de material. Por arranque de material en forma de viruta. Por abrasión. Procesos de conformado de polímeros y derivados. Plásticos. Materiales compuestos. Procesos de conformación por unión de partes. Por sinterización. Por soldadura. Procesos de medición y verificación dimensional. Tolerancias y ajustes. Medición dimensional. Automatización de los procesos de fabricación y verificación. Control numérico. Robots industriales. Sistemas de fabricación flexible.

Las propiedades y tecnologías de los materiales son aquellas que definen el comportamiento de un material frente a diversos métodos de trabajo y a determinadas aplicaciones. Existen varias propiedades que entran en esta categoría, destacándose la templabilidad, la soldabilidad y la dureza entre otras. De manera general los procesos de manufactura se clasifican en cinco grupos: • •

Procesos que cambian la forma del material. Ejemplos: metalurgia extractiva, fundición, forja, laminado, repujado prensado. Procesos que provocan desprendimiento de viruta por medio de máquinas.

Ejemplos: métodos de maquinado convencional, métodos de maquinado especial.

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• • •

Procesos que cambian las superficies. Ejemplos: con desprendimiento de viruta, por pulido, por recubrimiento. Procesos para el ensamblado de materiales. Ejemplos: uniones permanentes, uniones temporales. Procesos para cambiar las propiedades físicas. Ejemplos: temple de piezas, temple superficial.

1.2. BENEFICIO DE LOS MINERALES En la búsqueda de piedras útiles para la fabricación de sus primeras herramientas, seguramente el hombre encontró algunos terrones de cobre y de oro maleables, ya que la naturaleza suele proveerlos de esta manera. Los objetos metálicos más antiguos conformados artificialmente de los que se tiene noticia son unas cuentas de cobre encontradas en el norte de Irak; se calcula como fecha probable de su manufactura entre el octavo y noveno milenio a.n.e. Al parecer, estas piezas son de cobre natural y fueron conformadas mediante martillo y yunque. También se tiene información de que en la región de los Grandes Lagos en Estados Unidos los nativos utilizaron cobre natural alrededor del segundo milenio a.n.e. Por otra parte, existen evidencias de que el hombre manipuló compuestos metálicos con mucha anterioridad a las fechas mencionadas. En la actualidad podemos explicar con bastante claridad cómo ocurrió esto. En la naturaleza, la mayoría de los metales aparecen abundantemente sólo en forma de compuestos minerales, tales como óxidos, carbonatos, sulfatos; es decir, resulta muy escaso el metal puro, al cual llamaremos natural. En general, estos compuestos no poseen la maleabilidad del metal natural: son de distinta densidad y de colores más llamativos, por lo que indudablemente despertaron la curiosidad del hombre primitivo.

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Para separar el metal del mineral se requiere de temperaturas muy elevadas que no son fáciles de obtener directamente al fuego, mientras que el cocido del barro en las alfarerías se efectúa en hornos que tienen el fuego confinado, donde se alcanzan temperaturas un poco mayores que resultan ser lo suficientemente elevadas para trabajar los óxidos, aunque no lo son para fundir el cobre. De hecho, aún en la actualidad no es clara la manera en que el hombre empezó a servirse de los metales. Indudablemente el paso crucial fue el descubrimiento de la fundición, lo cual hizo del cobre el primer metal industrial y propició el veloz descubrimiento del plomo, la plata, el estaño y probablemente el hierro. Minería, obtención selectiva de minerales y otros materiales (salvo materiales orgánicos de formación reciente) a partir de la corteza terrestre La minería es una de las actividades más antiguas de la humanidad. Casi desde el principio de la edad de piedra, hace 2.5 millones de años o más, ha venido siendo la principal fuente de materiales para la fabricación de herramientas. Se puede decir que la minería surgió cuando los predecesores de los seres humanos empezaron a recuperar determinados tipos de rocas para tallarlas y fabricar herramientas. Al principio, la minería implicaba simplemente la actividad, muy rudimentaria, de desenterrar el sílex u otras rocas. A medida que se vaciaban los yacimientos de la superficie, las excavaciones se hacían más profundas, hasta que empezó la minería subterránea. La mina subterránea más antigua que se ha identificado es una mina de ocre rojo en la sierra Bomvu de Swazilandia, en África meridional, excavada 40 000 años a.n.e. (mucho antes de la aparición de la agricultura). La minería de superficie, por supuesto, se remonta a épocas mucho más antiguas. Todos los materiales empleados por la sociedad moderna han sido obtenidos mediante minería, o necesitan productos mineros para su fabricación. Puede decirse que, si un material no procede de una planta, entonces es que se obtiene de la tierra. Incluso las otras actividades del sector primario –agricultura,

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pesca y silvicultura– no podrían llevarse a cabo sin herramientas y máquinas fabricadas con los productos de las minas. Cabe argumentar por ello que la minería es la industria más elemental de la civilización humana. La minería siempre implica la extracción física de materiales de la corteza terrestre, con frecuencia en grandes cantidades, para recuperar sólo pequeños volúmenes del producto deseado. Por eso resulta imposible que la minería no afecte al medio ambiente, al menos en la zona de la mina. De hecho, algunos consideran que la minería es una de las causas más importantes de la degradación medioambiental provocada por los seres humanos. Sin embargo, en la actualidad, un ingeniero de minas calificado es capaz de limitar al máximo los daños y recuperar la zona una vez completada la explotación minera. Por lo general, la minería tiene como fin obtener minerales o combustibles. Un mineral puede definirse como una sustancia de origen natural con una composición química definida y propiedades predecibles y constantes. Los combustibles más importantes son los hidrocarburos sólidos, que, por lo general, no se definen como minerales. Un recurso mineral es un volumen de la corteza terrestre con una concentración anormalmente elevada de un mineral o combustible determinado. Se convierte en una reserva si dicho mineral o su contenido (un metal, por ejemplo), se puede recuperar mediante la tecnología del momento con un costo que permita una rentabilidad razonable de la inversión en la mina. Hay gran variedad de materiales que se pueden obtener de dichos yacimientos. Pueden clasificarse como sigue: • •

• •

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Minerales industriales: incluyen los de potasio y azufre, el cuarzo, la trona, la sal común, el amianto, el talco, el feldespato y los fosfatos, los de aluminio, cobre, plomo, zinc, estaño, magnesio. Materiales de construcción: incluyen la arena, la grava, los áridos, las arcillas para ladrillos, la caliza y los esquistos para la fabricación de cemento. En este grupo también se incluyen la pizarra para tejados y las piedras pulidas, como el granito, el travertino o el mármol. Gemas: incluyen los diamantes, los rubíes, los zafiros y las esmeraldas. Combustibles: incluyen el carbón, el lignito, la turba, el petróleo y el gas

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(aunque generalmente estos últimos no se consideran productos mineros). El uranio se incluye con frecuencia entre los combustibles. Los depósitos de mineral pueden adoptar casi cualquier forma. Pueden aflorar a la superficie o estar a gran profundidad. En algunas de las minas de oro de la República de Sudáfrica, la extracción empieza a profundidades superiores a los 1 500 m y desciende más de 3 500 metros. En las minas se puede recuperar material poco compacto no consolidado, como los sedimentos del lecho de un río, o minerales situados en roca maciza más dura que cualquier hormigón. Como se ha indicado antes, existen cuatro sistemas fundamentales de extracción minera: la minería de superficie (que incluye las canteras), la minería subterránea, la minería por dragado (que incluye la minería submarina) y la minería por pozos de perforación. A continuación describiremos cada uno de esos sistemas. Dentro de cada uno, los puntos fundamentales permanecen constantes, pero los detalles varían según el material extraído, la dureza de la roca y la geometría del depósito. Por supuesto, existe un cierto solapamiento entre los distintos métodos. Minería de superficie La minería de superficie es la más empleada para la extracción de materiales (puede emplearse para cualquier material) y se utilizan más de 60% de éstos. Los distintos tipos de mina de superficie tienen diferentes nombres, y por lo general, suelen estar asociados a determinados materiales extraídos. Las minas a cielo abierto suelen ser de metales; en las explotaciones al descubierto se suele extraer carbón; las canteras suelen dedicarse a la extracción de materiales industriales y de construcción, y en las minas de placer se suelen obtener minerales y metales pesados (con frecuencia oro, pero también platino, estaño y otros). Las minas de superficie son las que adoptan la forma de grandes fosas en terraza, cada vez más profundas y anchas. Los ejemplos clásicos de minas a cielo

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abierto son las minas de diamantes de Sudáfrica, en las que se explotan las chimeneas de kimberlita, depósitos de mineral en forma cilíndrica que ascienden por la corteza terrestre. A menudo tienen una forma más o menos circular. La extracción empieza con la perforación y voladura de la roca. Ésta se carga en camiones con grandes palas eléctricas o hidráulicas, o con excavadoras de carga frontal y se retira del foso. El tamaño de estas máquinas llega a ser tan grande que pueden retirar 50 m3 de rocas de una vez, pero suelen tener una capacidad de entre 5 y 25 m3. La capacidad de los camiones puede ir desde 35 hasta 220 toneladas. Un avance de la minería moderna consiste en que las palas descarguen directamente en una trituradora móvil, desde la que se saca de la mina la roca triturada en cintas transportadoras. El material clasificado como mineral se transporta a la planta de recuperación, mientras que el clasificado como desecho se vierte en zonas asignadas para ello. A veces existe una tercera categoría de material de baja calidad que puede almacenarse por si en el futuro pudiera ser rentable su aprovechamiento. Muchas minas empiezan como de superficie y, cuando llegan a un punto en que es necesario extraer demasiado material de desecho por cada tonelada de mineral obtenida, empiezan a emplear métodos de minería subterránea. Las explotaciones al descubierto se emplean con frecuencia, aunque no siempre, para extraer carbón y lignito. En el Reino Unido se obtienen más de 10 millones de toneladas de carbón anuales en explotaciones al descubierto. La principal diferencia entre estas minas y las de cielo abierto es que el material de desecho extraído para descubrir la veta de carbón, en lugar de transportarse a zonas de vertido lejanas, se vuelve a dejar en la cavidad creada por la explotación reciente. Por tanto, las minas van avanzando poco a poco, rellenando el terreno y devolviendo a la superficie en la medida de lo posible el aspecto que tenía antes de comenzar la extracción. Al contrario que una mina a cielo abierto, que suele hacerse cada vez más grande, una explotación al descubierto alcanza su tamaño máximo en muy poco tiempo.

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Cuando se completa la explotación, el foso que queda se puede convertir en un lago o rellenarse con el material procedente de la excavación realizada al comenzar la mina. Parte del equipo empleado en las explotaciones al descubierto es el mismo que el de las minas a cielo abierto, sobre todo el utilizado para extraer el carbón. Para obtener las rocas de desecho situadas por encima, la llamada sobrecarga, emplea los equipos más grandes de todas las minas. En Alemania existe una excavadora de cangilones que puede extraer 25 0000 m3 de materiales diarios. La máquina va montada sobre orugas y es automotriz. Otra máquina de gran tamaño que se emplea sobre todo en explotaciones al descubierto es la excavadora de cuchara de arrastre; una de estas máquinas, empleada en el Reino Unido en el pasado, extraía 50 m3 de sobrecarga cada vez. Las canteras son bastante similares a las minas a cielo abierto, y el equipo empleado es el mismo. La diferencia es que los materiales extraídos suelen ser minerales industriales y materiales de construcción. En general, casi todo el material que se obtiene de la cantera se transforma en algún producto, por lo que hay bastante menos material de desecho. A su vez, esto significa que al final de la vida útil de la cantera queda una gran excavación. No obstante, debido a los bajos precios que suelen tener los productos de la mayoría de las canteras, éstas tienen que estar situadas relativamente cerca de los mercados. Si no fuera así, los gastos de transporte podrían hacer que la cantera no fuera rentable. Por esta razón, muchas se encuentran cerca de aglomeraciones urbanas. También supone que las cavidades creadas por muchas canteras adquieren un cierto valor como vertederos de residuos urbanos. En las cercanías de las grandes ciudades, puede ser que la excavación creada por la cantera tenga un valor superior al del material extraído. Debido al bajo costo actual del transporte marítimo, se están abriendo nuevos tipos de grandes canteras costeras, como la de Glensanda, en Escocia. Estas canteras pueden servir a mercados alejados, porque los gastos de transporte son lo bastante bajos como para que sus productos sigan siendo competitivos. Los placeres son depósitos de partículas minerales mezcladas con arena o grava. Las minas de placer suelen estar situadas en los lechos de los ríos o en sus

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proximidades, puesto que la mayoría de los placeres son graveras de ríos actuales o graveras fósiles de ríos desaparecidos. No obstante, los depósitos de playas, los sedimentos del lecho marino y los depósitos de los glaciares también entran en esta categoría. La naturaleza de los procesos de concentración que dan lugar a los placeres hace que en este tipo de minas se obtengan materiales densos y ya liberados de la roca circundante. Eso hace que el proceso de extracción sea relativamente sencillo y se limite al movimiento de tierras y al empleo de sistemas sencillos de recuperación física, no química, para recuperar el contenido útil. El material extraído puede depositarse en zonas ya explotadas a medida que va avanzando la mina, a la vez que se recupera la superficie. Las minas de placer terrestre emplean equipos similares a los de superficie. Sin embargo, muchas minas de placer se explotan mediante dragado. Minería subterránea La minería subterránea se puede subdividir en minería de roca blanda y minería de roca dura. Los ingenieros de minas hablan de roca blanda cuando no se exige el empleo de explosivos en el proceso de extracción. En otras palabras, las rocas blandas pueden cortarse con las herramientas que proporciona la tecnología moderna. La roca blanda más común es el carbón, pero también lo son la sal común, la potasa, la bauxita y otros minerales. La minería de roca dura utiliza los explosivos como método de extracción. En gran parte de Europa, la minería se asocia sobre todo con la extracción del carbón. En los comienzos se empleaban métodos de extracción que implicaban la perforación y la voladura con barrenos, pero desde 1950 ya no se emplean esos métodos, salvo en unas pocas minas privadas. En la minería de roca blanda se perfora en la veta de carbón dos túneles paralelos separados por unos 300 m (llamados entradas). A continuación se abre una galería que une ambas entradas, y una de las paredes de dicha galería se

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convierte en el frente de trabajo para extraer el carbón. El frente se equipa con sistemas hidráulicos de entibados extremadamente sólidos, que crean un techo por encima del personal y la maquinaria y soportan el techo de roca situado por encima. En la parte frontal de estos sistemas de entibado se encuentra una cadena transportadora. Los lados de la cadena sostienen una máquina de extracción, la cizalladora, que corta el carbón mediante un tambor cilíndrico con dientes, se hace girar contra el frente de éste. Los trozos de carbón cortados caen a la cadena transportadora, que los lleva hasta el extremo del frente de pared larga. Allí, el carbón pasa a una cinta transportadora, que lo lleva hasta el pozo o lo saca directamente de la mina. Cuando se ha cortado toda la longitud del frente, se hace avanzar todo el sistema de soporte, y la cizalladora empieza a cortar en sentido opuesto, extrayendo otra capa de carbón. Por detrás de los soportes hidráulicos, el techo cede y se viene abajo. Esto hace que esta forma de extracción siempre provoque una depresión del terreno situado por encima. En Sudáfrica, Estados Unidos y Australia, gran parte de la extracción se realiza mediante el método de explotación por cámaras y pilares, en el que unas máquinas llamadas de extracción continua abren una red de túneles paralelos y perpendiculares, lo que deja pilares de carbón que sostienen el techo. Este método desaprovecha una proporción importante del combustible, pero la superficie suele ceder menos. En la mayoría de las minas de roca dura, la extracción se realiza mediante perforación y voladura. Primero se realizan agujeros con perforadoras de aire comprimido o hidráulicas. A continuación se insertan barrenos en los agujeros y se hacen explotar, con lo que la roca se fractura y puede ser extraída. Después se emplean máquinas de carga especiales –muchas veces con motores diesel y neumáticos– para cargar la roca volada y transportarla hasta galerías especiales de gran inclinación. La roca cae por esas galerías y se recoge en el pozo de acceso, donde se carga en contenedores especiales denominados cucharones y se saca de la mina. Más tarde se transporta a la planta de procesado, si es mineral, o al vertedero, si es material de desecho. Para poder acceder al yacimiento de mineral hay que excavar una red de galerías de acceso, que se suele extender por la roca de desecho que lo rodea.

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Este trabajo se denomina desarrollo; una mina de gran tamaño, como la mina sudafricana de platino de Rustenberg, puede abrir hasta 4 km de túneles cada mes. La extracción del mineral propiamente dicho se denomina arranque, y la elección del método depende de la forma y orientación del yacimiento. En los depósitos tubulares horizontales hay que instalar sistemas de carga y transporte mecanizados para manejar la roca extraída. En los yacimientos muy inclinados, una gran parte del movimiento de la roca puede efectuarse por gravedad. En el método de socavación de bloques se aprovecha la fuerza de la gravedad incluso para romper la roca. Se socava el bloque que quiere extraerse y se deja que caiga por su propio peso. La minería subterránea es la más peligrosa, por lo que se prefiere emplear alguno de los métodos superficiales siempre que resulte posible. Minería por dragado El dragado de aguas poco profundas es con toda probabilidad el método más barato de extracción de minerales. Por aguas poco profundas se entienden aguas de hasta 65 m. En esas condiciones se pueden recuperar sedimentos poco compactos empleando dragas con cabezales de corte situados en el extremo de tubos de succión, o con una cadena de cangilones de excavación que gira alrededor de un brazo. La minería por dragado se está modernizando: por ejemplo, en la mina de Kovin, situada en territorio de la antigua Yugoslavia, se emplea una draga para extraer dos capas de lignito y los lechos de grava que las separan, en un lago artificial, junto al río Danubio, creado para este fin. Se prevé que en el futuro se introduzcan más dragas de este tipo, que permiten una extracción selectiva y precisa. La minería oceánica es un método reciente. En la actualidad se realiza en las plataformas continentales, en aguas relativamente poco profundas. Entre sus actividades están la extracción de áridos, de diamantes (frente a las costas de Namibia y Australia) y de oro (en diversos placeres de todo el mundo).

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Ya se ha diseñado y probado la tecnología para realizar actividades mineras en fondos marinos profundos. A profundidades de hasta 2 500 o 3 000 m hay conglomerados de rocas ricas en metales denominadas nódulos de manganeso por ser éste el principal metal que contienen. En los nódulos también hay cantidades significativas de otros metales, entre ellos cobre y níquel. La tecnología de dragado para su recuperación está ya disponible, aunque ese tipo de actividades se encuentra en fase experimental hasta que las condiciones económicas y políticas las hagan factibles. Minería por pozos de perforación Numerosos materiales pueden extraerse del subsuelo a través de un pozo de perforación sin necesidad de excavar galerías y túneles. Así ocurre con los materiales líquidos como el petróleo y el agua. También se pueden recuperar materiales solubles haciendo pasar agua por ellos a través del pozo de perforación y extrayendo la solución. Este sistema se denomina extracción por disolución. También se puede emplear un disolvente que no sea agua para algún mineral determinado; en ese caso suele hablarse de lixiviación in situ. El azufre es un caso especial: como funde a una temperatura bastante baja (108 ºC) es posible licuarlo calentándolo por encima de dicha temperatura y bombear a la superficie el azufre fundido. En la actualidad también existen métodos para recuperar materiales insolubles a través de pozos de perforación. Algunos sólidos, como el carbón, son lo suficientemente blandos o están lo suficientemente fracturados para poder ser cortados por un chorro de agua a presión. Si se rompen en trozos pequeños, éstos pueden bombearse a la superficie en forma de lodo a través de un pozo de perforación. Naturalmente, este método también permite recuperar sólidos que ya de por sí se encuentran en forma de partículas finas poco compactas. En Hungría se están realizando experimentos serios para extraer carbón y bauxita mediante este método. El proceso empleado en el caso del azufre es relativamente sencillo. Se bombea agua salada caliente por un tubo exterior insertado en el pozo que se ha perforado en los lechos que contienen azufre. Se emplea agua salada porque su punto de ebullición es más alto, por lo que puede calentarse a una temperatura

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superior a su punto de fusión. El azufre fundido se bombea a la superficie por un tubo interior situado dentro del tubo de agua. Por otro tubo situado dentro de los otros dos se inyecta aire comprimido para contribuir a impulsar el azufre a la superficie. El azufre no es soluble en agua, por lo que no existe el problema de perderlo por disolución. Las dos zonas más conocidas donde se emplea este método son Polonia –donde se desarrolló por primera vez– y el golfo de México. Muchas sustancias –las más habituales son la sal común y la potasa– son solubles en agua. El método empleado para extraerlas consiste en perforar pozos hasta el yacimiento, insertar un sistema de tubos como el usado en el caso del azufre, bombear agua por el pozo dejando que disuelva la sal, bombear la salmuera resultante hacia la superficie y recuperar allí la sal disuelta. Según las minas, se puede utilizar el tubo exterior para el agua y el intermedio para la salmuera, o al contrario. En cualquier caso, el tubo interior se emplea para inyectar aire comprimido para elevar la salmuera. En Italia existen numerosas minas de disolución para extraer sal común. El sistema de lixiviación in situ se considera un método alternativo de extracción para algunos metales. En particular, se ha empleado con éxito para extraer uranio y cobre. En este caso siempre se emplean pozos separados para inyectar el disolvente y para extraer la disolución de mineral. El yacimiento debe ser poroso para que el disolvente pueda fluir a través del mismo desde un pozo a otro disolviendo el mineral o metal en cuestión. Es preferible que la roca que rodea el yacimiento sea impermeable para poder controlar mejor el disolvente. Siempre que sea posible, conviene utilizar disolventes no tóxicos, ya que parte del disolvente puede pasar a la roca circundante. Este tipo de minería presenta importantes ventajas medioambientales, ya que se mueve una cantidad de roca mucho menor y las operaciones de limpieza posteriores resultan mucho más sencillas. Todas las minas presentan problemas de seguridad, pero se considera que las subterráneas son las más peligrosas. El peligro se deriva de la naturaleza de la mina: una construcción de roca natural, que no es un buen material de ingeniería.

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Estadísticamente, las minas subterráneas son más peligrosas que las de superficie, y, por lo general, las de roca blanda son más peligrosas que las de roca dura. Las causas principales de accidentes en la mayoría de las minas son los derrabes, esto es, los derrumbamientos de grandes rocas de las paredes de la mina. Este tipo de accidentes también incluye las caídas de rocas desde los mecanismos de transporte. La segunda causa más frecuente de accidentes en las minas es la maquinaria en movimiento. Otros riesgos son los explosivos, las inundaciones y las explosiones debidas a gases desprendidos por las rocas, como el metano (grisú). Este último fenómeno se produce especialmente en las minas de carbón. La profundidad de las minas puede producir riesgos, ya que las tensiones a que están sometidas las galerías por el peso de las rocas situadas encima pueden superar la resistencia de la roca y hacer que ésta se derrumbe de forma explosiva. Se ha investigando muchos años para mejorar el diseño de las minas de modo que se elimine o reduzca el peligro de dichos derrumbes. Además del riesgo de accidentes, los mineros pueden contraer una serie de enfermedades laborales. Esto ocurre sobre todo en las minas subterráneas. En todas las minas se produce polvo, y su inhalación puede causar diversas enfermedades de los pulmones, como la silicosis o neumoconiosis en las minas de carbón, la asbestosis y otras. Además, en las minas pueden aparecer gases tóxicos, como sulfuro de hidrógeno o monóxido de carbono. Muchas minas, en especial las de uranio, pueden presentar problemas de radiación por las emanaciones de radón procedentes de la roca. Debido al carácter peligroso de estos trabajos, los principales países mineros tienen leyes y normativas muy estrictas sobre la seguridad en las minas. Dichas normas cubren la calidad del aire, el entibado de las galerías, los explosivos, la iluminación, el ruido y todos los demás riesgos que pueden darse en las minas.

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1.3. TRANSFORMACIÓN DE MINERALES EN METALES La metalurgia es la ciencia y la tecnología de los metales, incluye su extracción a partir de los minerales metálicos, su preparación y el estudio de las relaciones entre sus estructuras y propiedades. Desde tiempos muy remotos, el uso de ciertos metales conocidos, como el cobre, hierro, plata, plomo, mercurio, antinomio y estaño, se convirtió en indispensable para la evolución de las distintas civilizaciones. Por ello, la metalurgia es una actividad a la que el ser humano ha dedicado grandes esfuerzos. Desde la antigüedad ya se aplicaban algunas técnicas metalúrgicas, como el moldeo a la cera perdida utilizado por los chinos, egipcios y griegos; la soldadura inventada por Glauco en el siglo vii a.n.e., y el tratamiento térmico para el temple con acero utilizado por los griegos. No fue hasta la edad media cuando aparecieron otras técnicas metalúrgicas de importancia, y así, durante el siglo xiii aparecieron los primeros altos hornos y la fundición. Los procesos metalúrgicos constan de dos operaciones: la concentración, es decir, la separación del metal o compuesto metálico del material residual que lo acompaña en el mineral, y el refinado, en el que se trata de producir el metal en un estado puro o casi puro, adecuado para su empleo. Tanto para la concentración como para el refinado se emplean tres tipos de procesos: mecánicos, químicos y eléctricos. En la mayoría de los casos se usa una combinación de los tres. Uno de los métodos de concentración mecánica más sencillo es la separación por gravedad. Este sistema se basa en la diferencia de densidad entre los metales nativos y compuestos metálicos y los demás materiales con los que están mezclados en la roca. Cuando se tritura el mineral o el concentrado de mineral y se suspende en agua o en un chorro de aire, las partículas de metal o del compuesto metálico, más pesadas, caen al fondo de la cámara de procesado y el agua o el aire se llevan la ganga (material residual), más ligera. La técnica de los buscadores de oro para separar el metal de las arenas auríferas mediante cribado,

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por ejemplo, es un proceso de separación por gravedad a pequeña escala. Del mismo modo, la mayor densidad relativa de la magnetita, un mineral de hierro, permite separarla de la ganga con la que se encuentra mezclada. La flotación es hoy el método más importante de concentración mecánica. En su forma más simple, es un proceso de gravedad modificado en el que el mineral metálico finamente triturado se mezcla con un líquido. El metal o compuesto metálico suele flotar, mientras que la ganga se va al fondo. En algunos casos ocurre lo contrario. En la mayoría de los procesos de flotación modernos se emplean aceites u otros agentes tensioactivos para ayudar a flotar al metal o a la ganga. Esto permite que floten en agua sustancias de cierto peso. En uno de los procesos que utilizan este método se mezcla con agua un mineral finamente triturado que contiene sulfuro de cobre, al que se le añaden pequeñas cantidades de aceite, ácido y otros reactivos de flotación. Cuando se insufla aire en esta mezcla se forma una espuma en la superficie, que se une con el sulfuro pero no con la ganga. Esta última se va al fondo, y el sulfuro se recoge de la espuma. El proceso de flotación ha permitido explotar muchos depósitos minerales de baja concentración, e incluso residuos de plantas de procesado que utilizan técnicas menos eficientes. En algunos casos, la llamada flotación diferencial permite concentrar mediante un único proceso diversos compuestos metálicos a partir de un mineral complejo. Los minerales con propiedades magnéticas muy marcadas, como la magnetita, se concentran por medio de electroimanes que atraen el metal pero no la ganga. La concentración electrostática utiliza un campo eléctrico para separar compuestos de propiedades eléctricas diferentes, aprovechando la atracción entre cargas opuestas y la repulsión entre cargas iguales. Los métodos de separación o concentración química son en general los más importantes desde el punto de vista económico. Hoy, esta separación se utiliza con frecuencia como segunda etapa del proceso, después de la concentración

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mecánica. La fundición proporciona un tonelaje mayor de metal refinado que cualquier otro proceso. Aquí, el mineral metálico, o el concentrado de un proceso de separación mecánica, se calientan a elevadas temperaturas junto con un agente reductor y un fundente. El agente reductor se combina con el oxígeno del óxido metálico dejando el metal puro, mientras que el fundente se combina con la ganga para formar una escoria líquida a la temperatura de fundición, por lo que puede retirarse de la superficie del metal. La producción de hierro en los altos hornos es un ejemplo de fundición; este mismo proceso se emplea para extraer de sus minerales el cobre, el plomo, el níquel y muchos otros metales. La amalgamación es un proceso metalúrgico que utiliza mercurio para disolver plata u oro formando una amalgama. Este sistema ha sido sustituido en gran medida por el proceso con cianuro, en el que se disuelve oro o plata en disoluciones de cianuro de sodio o potasio. En los diversos procesos de lixiviación o percolación se emplean diferentes disoluciones acuosas para disolver los metales contenidos en los minerales. Los carbonatos y sulfuros metálicos se tratan mediante calcinación, calentándolos hasta una temperatura por debajo del punto de fusión del metal. En el caso de los carbonatos, en el proceso se desprende dióxido de carbono, y queda un óxido metálico. Cuando se calcinan sulfuros, el azufre se combina con el oxígeno del aire para formar dióxido de azufre gaseoso, y también resulta un óxido metálico. Los óxidos se reducen después por fundición. La sinterización y la nodulación aglomeran partículas finas de mineral. En la primera se utiliza un combustible, agua, aire y calor para fundir las partículas finas de mineral y convertirlas en una masa porosa. En la nodulación, las partículas se humedecen, se convierten en pequeños nódulos en presencia de un fundente de piedra caliza y a continuación se cuecen. Otros procesos, entre los que destacan la pirometalurgia (metalurgia de altas temperaturas) y la destilación, se emplean en etapas posteriores de refinado en diversos metales. En el proceso de electrólisis, el metal se deposita en un cátodo,

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bien a partir de disoluciones acuosas o en un horno electrolítico. El cobre, el níquel, el cinc, la plata y el oro son varios ejemplos de metales refinados por deposición a partir de disoluciones acuosas. El aluminio, el bario, el calcio, el magnesio, el berilio, el potasio y el sodio se procesan en hornos electrolíticos. Algunos metales y determinadas aleaciones eran ya conocidos y empleados desde la más remota antigüedad. El cobre, el oro y el hierro fueron empleados en épocas prehistóricas para la confección de armas, herramientas y adornos. La plata, el plomo, el mercurio, el antimonio y luego el estaño eran ya conocidos 5 000 años antes de la era cristiana por los caldeos, los asirios y los egipcios. En la antigüedad griega y romana, el bronce y luego el latón se usaban con mucha frecuencia. Cabe recordar a los galos, célebres por sus trabajos de oro, y a los germanos, hábiles en la confección de armas de hierro y acero. En la Edad Media los procedimientos metalúrgicos evolucionaron muy poco. Durante el siglo xiii aparecieron los primeros altos hornos y la fundición. Durante los siglos xvi y xvii y parte del xviii, se hizo célebre la primera industria siderúrgica española, con las famosas fargues (forjas) catalanas, situadas en los Pirineos y las ferrerías vascas. Fueron centros metalúrgicos de fama mundial. Actualmente todo esto ha evolucionado mucho, y ahora se hace de una manera más rápida y más eficaz. Aún así, este sector está en plena decadencia ya que estos metales se están sustituyendo por otros como el plástico. Los minerales en la metalurgia La mineralogía es el estudio de las propiedades, identificación, origen y clasificación de los minerales. Las propiedades de los minerales se estudian bajo las correspondientes subdivisiones: mineralogía química, mineralogía física y cristalografía. Las propiedades y clasificación de los minerales individuales, su localización, sus formas de aparición y sus usos corresponden a la mineralogía descriptiva. La identificación en función de sus propiedades químicas, físicas y cristalográficas recibe el nombre de mineralogía determinativa.

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La composición química es la propiedad más importante para identificar los minerales y para distinguirlos entre sí. El análisis de los minerales se realiza con arreglo a métodos normalizados de análisis químico cuantitativo y cualitativo. Los minerales se clasifican sobre la base de su composición química y la simetría de sus cristales. Sus componentes químicos pueden determinarse también por medio de análisis realizados con haces de electrones. Aunque la clasificación química no es rígida, las diversas clases de compuestos químicos que incluyen a la mayoría de los minerales son las siguientes: 1. 2. 3. 4.

5. 6. 7. 8. 9.

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Elementos, como el oro, el grafito, el diamante y el azufre, que se dan en estado puro o nativo, es decir, sin formar compuestos químicos. Sulfuros, que son minerales compuestos de diversos metales combinados con el azufre. Muchas menas minerales importantes, como la galena o la esfalerita, pertenecen a esta clase. Sulfosales, minerales compuestos de plomo, cobre o plata combinados con azufre y uno o más de los siguientes elementos: antimonio, arsénico y bismuto. La pirargirita, Ag3SbS3, pertenecen a esta clase. Óxidos, minerales compuestos por un metal combinado con oxígeno, como la hematites u oligisto, Fe2O3. Los óxidos minerales que contienen también agua, como el diásporo, Al2O3,H2O, o el grupo hidróxilo (OH), como la goethita FeO (OH), pertenecen también a este grupo. Haluros, compuestos de metales combinados con cloro, flúor, bromo o yodo; la halita o sal gema, NaCl, es el mineral más común de esta clase. Carbonatos, minerales como la calcita, CaCO3, que contienen un grupo carbonato. Los fosfatos, minerales como el apatito, Ca5(F,Cl)(PO4)3, que contienen un grupo fosfato. Sulfatos, como la barita, BaSO4, que contienen un grupo sulfato. Silicatos, la clase más abundante de minerales, formada por varios elementos en combinación con silicio y oxígeno, que a menudo tienen una estructura química compleja, y minerales compuestos exclusivamente de silicio y oxígeno (sílice). Los silicatos incluyen minerales que comprenden

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las familias del feldespato, la mica, el piroxeno, el cuarzo, la zeolita y el anfíbol. Las propiedades físicas de los minerales constituyen una importante ayuda a la hora de identificarlos y caracterizarlos. La mayor parte de las propiedades físicas pueden reconocerse a simple vista o determinarse por medio de pruebas sencillas. Las propiedades más importantes incluyen el rayado, el color, la fractura, el clivaje, la dureza, el lustre, la densidad relativa y la fluorescencia o fosforescencia. La mayoría de los minerales adoptan formas cristalinas cuando las condiciones de formación son favorables. La cristalografía es el estudio del crecimiento, la forma y el carácter geométrico de los cristales. La disposición de los átomos en el seno de un cristal puede determinarse por medio del análisis por difracción de los rayos X. La química cristalográfica estudia la relación entre la composición química, la disposición de los átomos y las fuerzas de enlace entre éstos. Esta relación determina las propiedades físicas y químicas de los minerales. Los cristales se agrupan en seis sistemas de simetría: cúbico o isométrico, hexagonal, tetragonal, ortorrómbico, monoclínico y triclínico. El estudio de los minerales constituye una importante ayuda para la comprensión de cómo se han formado las rocas. La síntesis en laboratorio de las variedades de minerales producidos por presiones elevadas está contribuyendo a la comprensión de los procesos ígneos que tienen lugar en las profundidades de la litosfera. Dado que todos los materiales inorgánicos empleados en el comercio son minerales o sus derivados, la mineralogía tiene una aplicación económica directa. Usos importantes de los minerales y ejemplos de cada categoría son las gemas o piedras preciosas y semipreciosas (diamante, granate, ópalo, circonio); los objetos ornamentales y materiales estructurales (ágata, calcita, yeso); los refractarios (asbestos o amianto, grafito, magnesita, mica); cerámicos (feldespato, cuarzo); minerales químicos (halita, azufre, bórax); fertilizantes (fosfatos); pigmentos naturales (hematites, limonita); aparatos científicos y ópticos (cuarzo, mica, turmalina), y menas de metales (casiterita, calcopirita, cromita, cinabrio, ilmenita, molibdenita, galena y esfalerita).

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Aunque algunos metales como el oro, la plata, el platino y el cobre, se encuentran en estado nativo, la inmensa mayoría se encuentran en la naturaleza combinados formando compuestos, tales como óxidos, sulfuros, carbonatos, silicatos, cloruros , etcétera. Con frecuencia estos compuestos son verdaderas mezclas como el sulfuro doble de cobre y de hierro. En estos minerales el producto metálico está mezclado con productos estériles, que forman la ganga, y es preciso hacer una separación. Con esto quiero decir, que antes de todo tratamiento metalúrgico, el mineral, una vez extraído de la mina, se somete a las operaciones de lavado, aislamiento y concentración, mediante trituración, quebrantamiento, tría magnética, separación por lavado y ventilación o flotación en líquidos apropiados y otros. Los metales más comunes son los que a continuación se mencionan. La plata La plata es un elemento químico de carácter metálico, símbolo Ag, su número atómico es 47, su densidad es de 10.5 y su masa atómica es 107.88. Es un elemento metálico blanco, brillante, que conduce el calor y la electricidad mejor que ningún otro metal. La plata es uno de los elementos de transición del sistema periódico. La plata se conoce y se ha valorado desde la antigüedad como metal ornamental y de acuñación. Probablemente las minas de plata en Asia Menor empezaron a ser explotadas antes del 2 500 a.n.e. Los alquimistas la llamaban el metal Luna o Diana, por la diosa de la Luna, y le atribuyeron el símbolo de la luna creciente. Exceptuando el oro, la plata es el metal más maleable y dúctil. Su dureza varía entre 2.5 y 2.7; es más dura que el oro, pero más blanda que el cobre. Tiene un punto de fusión de 962 °C, un punto de ebullición de 2.212 °C, y una densidad relativa de 10.5 su masa atómica es 107.868. Desde el punto de vista químico, la plata no es muy activa. Es insoluble en ácidos y álcalis diluidos, pero se disuelve en ácido nítrico o sulfúrico concentrado,

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y no reacciona con oxígeno o agua a temperaturas ordinarias. El azufre y los sulfuros atacan la plata, y el deslustre o pérdida de brillo se produce por la formación de sulfuro de plata negro sobre la superficie del metal. Los huevos, que contienen una considerable cantidad de azufre como componente de sus proteínas, deslustran la plata rápidamente. Las pequeñas cantidades de sulfuro que existen naturalmente en la atmósfera o que se añaden al gas natural doméstico en forma de sulfuro de hidrógeno (H2S), también deslustran la plata. El sulfuro de plata (Ag2S) es una de las sales más insolubles en disolución acuosa, propiedad que se utiliza para separar los iones plata de otros iones positivos. La plata ocupa el lugar 66 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. Existe un bajo porcentaje en estado puro; los sedimentos más notables de plata pura están en México, Perú y Noruega, donde las minas han sido explotadas durante años. La plata pura también se encuentra asociada con el oro puro en una aleación conocida como oro argentífero, y al procesar el oro se recuperan considerables cantidades de plata. La plata está normalmente asociada con otros elementos (siendo el azufre el más predominante) en minerales y menas. Algunos de los minerales de plata más importantes son la cerargirita (o plata córnea), la pirargirita, la silvanita y la argentita. La plata también se encuentra como componente en las menas de plomo, cobre y cinc. La mitad de la producción mundial de plata se obtiene como subproducto al procesar dichas menas. Prácticamente toda la plata producida en Europa se obtiene como subproducto de la mena del sulfuro de plomo, la galena. La mayoría de la plata extraída en el mundo procede de México, Perú, Estados Unidos y la Comunidad de Estados Independientes. En 1994 se produjeron en todo el mundo unas 13 000 toneladas. En general, la plata se extrae de las menas de plata calcinándolas en un horno para convertir los sulfuros en sulfatos y luego precipitar químicamente la plata metálica. Hay varios procesos metalúrgicos para extraer la plata de las menas de otros metales. En el proceso de amalgamación, se añade mercurio líquido a la mena triturada, y se forma una amalgama de plata. Después de extraer la amalgama

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de la mena, se elimina el mercurio por destilación y queda la plata metálica. En los métodos de lixiviación, se disuelve la plata en una disolución de una sal (normalmente cianuro de sodio) y después se precipita la plata poniendo la disolución en contacto con cinc o aluminio. Para el proceso Parkes, que se usa extensamente para separar la plata del cobre. La plata impura obtenida en los procesos metalúrgicos se refina por métodos electrolíticos o por copelación, un proceso que elimina las impurezas por evaporación o absorción. El uso de la plata en joyería, servicios de mesa y acuñación de monedas es muy conocido. Normalmente se alea el metal con pequeñas cantidades de otros metales para hacerlo más duro y resistente. La plata fina para las cuberterías y otros objetos contiene 92.5% de plata y 7.5% de cobre. La plata se usa para recubrir las superficies de vidrio de los espejos, por medio de la vaporización del metal o la precipitación de una disolución. Sin embargo, el aluminio ha sustituido prácticamente a la plata en esta aplicación. La plata también se utiliza con frecuencia en los sistemas de circuitos eléctricos y electrónicos. Los halogenuros de plata (bromuro de plata, cloruro de plata y yoduro de plata) que se oscurecen al exponerlos a la luz, se utilizan en emulsiones para placas, película y papel fotográficos. Estas sales son solubles en tiosulfato de sodio, que es el compuesto utilizado en el proceso de fijación fotográfica. La plata se funde a 960 ºC y hierve a 1950 ºC. Cuando se funde en contacto con el aire absorbe hasta 22 veces su volumen de oxígeno, que al enfriar vuelve a desprender, levantándose en su superficie pequeños cráteres y proyectando partículas de metal líquido, en un proceso que recibe el nombre de “galleo de plata”. La plata es el más blanco de todos los metales, y bien pulimentado constituye una de las mejores superficies reflectantes que se conocen: refleja hasta 95% de la luz incidente. Además es bastante maleable y dúctil. Como ya sabemos es el metal de mayor índice de conductibilidad, tanto calorífica como eléctrica. Es un elemento nativo por lo que se encuentra en la naturaleza a temperatura ambiente. Tiene formas de crecimiento dendríticas y plumosas; también compactas, en láminas y filiformes. El mineral lo podemos encontrar, en México,

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Cataluña, concretamente en Vimbodí, Falset Bellmunt y Tarragona. Cuando aparece en forma nativa, lo hace en masas que han llegado a pesar centenares de kilos, esparcidas en terreno rocoso, con pequeñas incrustaciones de otros metales nobles. Noruega posee el mayor yacimiento del mundo de este tipo. Lo normal es que aparezca junto con grandes filones de galena, blenda y pirita. Los minerales de plomo son la más importante fuente de plata, las minas más importantes se encuentran en Leadville y Eureka (EUA), de menor importancia son Laurium (Grecia) y las españolas de Peñarroya, Linares y San Quintín. Cerca de la superficie, la plata suele aparecer nativa o en forma de haluro. En las profundidades aparece formando sulfuros. Pero este tipo de filones está muy agotado, y actualmente la mayor parte de la plata que aparece en el mercado procede del tratamiento de filones de blenda, galena y pirita. Los métodos para la obtención de la plata son el de amalgamación y el de cianuración, o como subproducto de otras metalurgias, en especial la del plomo. •

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La amalgamación es un método español, consiste en triturar la mena, que debe ser plata nativa o cloruro, se agita con agua y mercurio para obtener cloruro mercurioso, entonces las plata se amalgama con el mercurio en exceso. La amalgama se separa del mineral agotado y se destila en retortas de hierro, el mercurio volátil se usa otra vez y la plata queda en la retorta. Este método casi no se utiliza en la actualidad. La cianuración se usa normalmente para menas ricas. Consiste en triturar el mineral, y si contiene sulfuro de plata se tuesta con cloruro sódico, para conseguir cloruro de plata, éste se disuelve en cianuro sódico formándose cianuro complejo de plata y sodio Ag (CN)2NA. El metal se precipita de esta disolución por el cinc metálico.

Obtención de la plata como subproducto

Este método es el más utilizado, consigue 80% de la plata obtenida en el mundo. En la producción de los metales que la acompañan, la plata queda mezclada

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con ellos, y se separa con una técnica diferente en cada caso. Si aparece mezclada con oro se extrae mediante electrólisis en una solución de nitrato de plata. El caso más frecuente es que acompañe al plomo, del que se separa por el método Parkes: después de eliminar las impurezas, el metal fundido se mezcla con 2% de cinc, inmiscible con el plomo, pero no con la plata, a la que arrastra en su flotación y solidificación cuando el plomo está todavía fundido. Se extrae la aleación cinc-plata y se calienta en retortas de arcilla, para separar el cinc por destilación. El residuo de las retortas se somete al proceso de copelación, para oxidar y fundir los posibles restos de plomo. Si la plata aparece mezclada con cobre, se procede por galvanización y copelación, o bien por refinado electrolítico. Para obtener plata químicamente pura, se precipita de sus soluciones nítricas en estado de cloruro, que se reduce por calentamiento en presencia de yeso y carbón. La plata pura es un metal muy blando, por lo que se emplea poco. La industria química la utiliza en cápsulas y como revestimiento protector, chapeado o electrolítico, debido a su buena resistencia frente a muchos reactivos, así como en superficies termo aislantes y como catalizador en diversos procesos. Por la facilidad de su trabajo, la plata fue uno de los metales más usado para el arte en las civilizaciones del mundo antiguo. Se empezó a considerar la plata como un elemento de riqueza a partir de 3 600 años a.n.e. Fue también uno de los primeros metales usados para la acuñación de monedas ya que permitía reducir el peso y tamaño de las grandes piezas de cobre o bronce. El metal se obtenía de algunas minas europeas, como las de Laurion en el Ática y las de Hispania, que atrajeron a la Península a los mercaderes y colonizadores, y de los yacimientos del Próximo Oriente. En América pronto comenzaron los hallazgos de las grandes minas de plata de Nueva España y Perú: Michoacán (1531), Potosí (1545), Guanajuato (1548), etcétera. Inicialmente, la extracción de plata se hacía por el procedimiento de fusión, en pequeños hornos que los indios de Potosí esparcían por laderas, para conseguir que el viento estimulara la combustión. Este procedimiento rudimentario sólo podía aplicarse a minerales muy ricos, de forma que las reservas explotables se agotaron rápidamente; en Perú tardó diez años en acabarse. A medidos del siglo xvi se introdujo en la

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Nueva España el procedimiento de extracción de metal llamado amalgamación, mezclando el mineral triturado con mercurio, que fue usado en México hasta el siglo xix. El procedimiento inicial era el llamado de patio; a comienzos del siglo xvii se introdujo el de cazo o fondón, que utilizaba también el calor. Entre 1850 y 1920, EUA produjo 248 millones de kg de plata, más de lo que se había obtenido en todo el mundo en los últimos trescientos cincuenta años. El cobre El cobre es un elemento de transición de la tabla periódica de símbolo Cu, de apariencia metálica y color pardo rojizo, su número atómico es 29 es uno de los metales de mayor uso. Ya era conocido en épocas prehistóricas, las primeras herramientas y enseres fabricados probablemente fueron de cobre. Se han encontrado objetos de este metal en las ruinas de muchas civilizaciones antiguas, como en Egipto, Asia Menor, China, sureste de Europa, Chipre (de donde proviene la palabra cobre), Creta y América del Sur. El cobre puede encontrarse en estado puro. Su punto de fusión es de 1.083 °C, mientras que su punto de ebullición es de unos 2.567 °C, tiene una densidad de 8.9 g/cm3 y su masa atómica es 63.546. El cobre tiene una gran variedad de aplicaciones a causa de sus ventajosas propiedades, como son su elevada conductividad del calor y electricidad, la resistencia a la corrosión, así como su maleabilidad y ductilidad, además de su belleza. Debido a su extraordinaria conductividad, sólo superada por la plata, el uso más extendido del cobre se da en la industria eléctrica. Su ductilidad permite transformarlo en cables de cualquier diámetro, a partir de 0.025 milímetros. La resistencia a la tracción del alambre de cobre estirado es de unos 4 200 kilogramos por centímetro cuadrado. Puede usarse tanto en cables y líneas de alta tensión exteriores como interiores, cables de lámparas y maquinaria eléctrica en general: generadores, motores, reguladores, equipos de señalización, aparatos electromagnéticos y sistemas de comunicaciones.

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A lo largo de la historia, el cobre se ha utilizado para acuñar monedas y confeccionar útiles de cocina, tinajas y objetos ornamentales. En un tiempo era frecuente reforzar con cobre la quilla de los barcos de madera para proteger el casco ante posibles colisiones. El cobre se puede galvanizar fácilmente como tal o como base para otros metales. Con este fin se emplean grandes cantidades en la producción de electrotipos (reproducción de caracteres de impresión). La metalurgia del cobre varía según la composición de la mena. El cobre en bruto se tritura, se lava y se prepara en barras. Los óxidos y carbonatos se reducen con carbono. Las menas más importantes y las formadas por sulfuros, no contienen más de 12% de cobre, llegando en ocasiones tan sólo a 1%, y han de triturarse y concentrarse por flotación. Los concentrados se funden en un horno de reverbero que produce cobre metálico en bruto con una pureza aproximada de 98%. Este cobre en bruto se purifica por electrólisis, obteniéndose barras con una pureza que supera el 99.9 por ciento. El cobre puro es blando, pero puede endurecerse posteriormente. Las aleaciones de cobre, mucho más duras, presentan una mayor resistencia y por ello no pueden utilizarse en aplicaciones eléctricas. No obstante, su resistencia a la corrosión es casi tan buena como la del cobre puro y son de fácil manejo. Las dos aleaciones más importantes son el latón, una aleación con cinc, y el bronce, una aleación con estaño. A menudo, tanto el cinc como el estaño se funden en una misma aleación, haciendo difícil una diferenciación precisa entre el latón y el bronce. Ambos se emplean en grandes cantidades. También se usa el cobre en aleaciones con oro, plata y níquel, y es un componente importante en aleaciones como el monel, el bronce de cañón y la plata alemana o alpaca. El cobre forma dos series de compuestos químicos: de cobre (I), en la que éste tiene una valencia de 1, y de cobre (II), en la que su valencia es 2. Los compuestos de cobre (I) apenas tienen importancia en la industria y se convierten fácilmente en compuestos de cobre (II) al oxidarse por la simple exposición al aire. Los compuestos de cobre (II) son estables. Algunas disoluciones de cobre tienen la propiedad de disolver la celulosa, por lo que se usan grandes cantidades en la fabricación de rayón. También se emplea el cobre en muchos pigmentos,

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en insecticidas como el verde de Schweinfurt, o en fungicidas como la mezcla de Burdeos, aunque para estos fines está siendo sustituido ampliamente por productos orgánicos sintéticos. El cobre ocupa el lugar 25 en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre. Frecuentemente se encuentra agregado con otros metales como el oro, plata, bismuto y plomo, apareciendo en pequeñas partículas en rocas, aunque se han hallado masas compactas de hasta 420 toneladas. El cobre se encuentra por todo el mundo en la lava basáltica, localizándose el mayor depósito conocido en la cordillera de los Andes en Chile, bajo la forma de pórfido. Este país posee aproximadamente 25% de las reservas mundiales de cobre y a comienzos de 1980 se convirtió en el primer país productor de este metal. Los principales yacimientos se localizan en Chuquicamata, Andina, el Salvador y el Teniente. Las principales fuentes del cobre son la calcopirita y la bornita, sulfuros mixtos de hierro y cobre. Otras menas importantes son los sulfuros de cobre calcosina y covellina; la primera se encuentra en Chile, México, Estados Unidos, la antigua URSS y la segunda, en Estados Unidos. La enargita, un sulfoarseniato de cobre, se encuentra en la antigua Yugoslavia, Sudáfrica y América del Norte; la azurita, un carbonato básico de cobre, en Francia y Australia, y la malaquita, otro carbonato básico de cobre, en los montes Urales, Namibia y Estados Unidos. La tetraedrita, un sulfoantimoniuro de cobre y de otros metales, y la crisocolla, un silicato de cobre, se hallan ampliamente distribuidos en la naturaleza; la cuprita, un óxido, en España, Chile, Perú y Cuba, y la atacamita, un cloruro básico, cuyo nombre proviene de la región andina de Atacama, en el norte de Chile y Perú. El cobre es un elemento químico de número atómico 29 y masa atómica 63.54. Es un metal de color rojo que cristaliza en el sistema cúbico. Tiene por densidad 8.9 y funde a 1 084 ºC. Entre los metales industriales, es el mejor conductor del calor y de la electricidad. Es de dureza media, muy maleable y dúctil. Se puede oxidar si está en un ambiente frío, o con ácidos.

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Los minerales de cobre explotados para la obtención de metal se clasifican en tres categorías: •

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Minerales de cobre nativo: sus principales yacimientos actualmente explotados se encuentran en EUA, cerca del lago Superior, y contienen aproximadamente 1% de cobre puro. En Bolivia también hay yacimientos de cobre nativo, rico en cobre puro. Minerales oxidados: este tipo de minerales se utilizan muy poco. Los principales minerales son: cuprita (óxido rojo), mela conita (óxido negro), malaquita (carbonato verde hidratado), azurita (carbonato azul hidratado), crisocola (silicato hidratado), y atacamita (oxicloruro hidratado) y se encuentran en EUA, Chile, Rhodesia y Extremo oriente. Minerales sulfurados: éstos son los más utilizados. El principal es la calcopirita o pirita cuprosa, cuyo contenido de cobre llega por lo general a 4%. Los demás minerales sulfurados explotados son la calcosina, la tetraedrita, la bornita y la energita. Estos minerales se explotan en EUA, Japón, Rusia y, a escala más limitada, en Alemania y España.

Según su naturaleza y la riqueza de los minerales, el cobre es tratado de una manera diferente: Para los minerales sulfurados el método consiste en separar el hierro del cobre por vía seca, utilizando por una parte la gran afinidad del cobre para el azufre y, por otra, la del hierro para el oxígeno. El mineral enriquecido por flotación, sufre sucesivamente: a) Una tostación oxidante parcial, que transforma en óxido parte del sulfuro de hierro. b) Una fusión escorificante en horno de reverbero en contacto con sílice, que permite eliminar hierro en forma de escoria silícea. Queda una mata (capa separada por diferencia de densidad) enriquecida en 40% de cobre aproximadamente. c) Una conversión permite separar totalmente el sulfuro del hierro de la mata para obtener el cobre bruto. Esta última operación se efectúa en dos fases: primeramente la corriente de aire oxida el hierro remanente,

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que se escorifica en contacto con la sílice y es separado de la mata que tiene una riqueza 80% de cobre. En la segunda fase la oxidación de la mata se prosigue con formación de óxido y de sulfuro de cobre. En este momento ambos productos reaccionan mutuamente con desprendimiento de anhídrido sulfuroso y formación de cobre bruto. Tratamiento de los minerales oxidados: el método por vía seca se practica en horno de cuba (water-jacket), por reducción del mineral fundido en presencia de carbono; la adición de fundente permite eliminar la ganga del mineral en forma de escoria. Existe un método por vía húmeda, poco empleado, análogo al utilizado para los minerales sulfurados. Afinado del cobre bruto (cobre blister): este afinado tiene la doble ventaja de obtener cobre puro y recuperar impurezas de interés, tales como el oro, plata, bismuto, etc. El afinado por vía seca en horno de reverbero permite, al oxidar gran parte de las impurezas y obtener cobre que contiene por lo menos 99.5% de mineral puro. Afinado electrolito: permite obtener cobre de pureza superior a 99.5%. El cobre bruto colado en ánodos en forma de placas, es electrolizado en una solución de sulfato de cobre ácido. El cobre puro se deposita en los cátodos que posteriormente son refundidos para constituir lingotes. El uso más antiguo del cobre se remonta al imperio egipcio del 5 000 al 4 500 a.n.e. Su uso fue en principio ornamental, posteriormente se fabricaron con él pequeños objetos (agujas, tijeras, anillos etc.). Alrededor del 4 000 al 3 500 a.n.e. apareció el cobre forjado y moldeado, pero no se extendió a Mesopotamia del Norte, hasta el 3 000 a.n.e. donde el cobre fundido empezó a sustituir al cobre forjado. Durante el tercer milenio a.n.e. el uso de este metal se extendió a las regiones del Mediterráneo Oriental y a la desembocadura del Danubio. Entre 2 500 y 2 000 apareció en Europa Central y Occidental, fue llevado a Italia y España por navegantes, y a Bohemia y Baviera por los pueblos de las estepas. Posteriormente se empleó bajo la forma de aleaciones, para confeccionar armas, herramientas, joyas, adornos, objetos domésticos, estatuas, etcétera.

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También se encontró cobre en el bronce antiguo. Durante la Edad Media, los centros principales de extracción de este elemento fueron las minas alemanas de Rammelsber y Mansfeld; sin embargo, su producción fue sobrepasada por las minas de Cornualles y, a principios del siglo xix, por las minas españolas de Riotinto. A partir de la segunda mitad del siglo xix, el intenso desarrollo de las minas de Chile, Canadá, y más tarde EUA y el Congo eclipsó las explotaciones europeas. Actualmente la mayor producción mundial de minerales de cobre, corresponde a EUA, gracias a las minas de Arizona, Utah, Nuevo México y Montana cuyas reservas son considerables. Les siguen inmediatamente Rusia cuya producción aumenta de un modo regular, así como Chile, Canadá, Zambia y Zaire. Los mayores productores de este mineral, son igualmente los primeros suministradores de fundición, puesto que la transformación de mineral, se realiza en el mismo lugar de su extracción. El aluminio El aluminio, de símbolo Al, es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Su número atómico es 13 y se encuentra en el grupo 13 de la tabla periódica. El químico danés Hans Christian Oersted aisló el aluminio por primera vez en 1825, por medio de un proceso químico que utilizaba una amalgama de potasio y cloruro de aluminio. Entre 1827 y 1845, el químico alemán Friedrich Wöhler mejoró el proceso de Oersted utilizando potasio metálico y cloruro de aluminio. Wöhler fue el primero en medir la densidad del aluminio y demostrar su ligereza. En 1854, Henri Sainte-Claire Deville obtuvo el metal en Francia reduciendo cloruro de aluminio con sodio. Con el apoyo financiero de Napoleón III, Deville estableció una planta experimental a gran escala, y en la exposición de París de 1855 exhibió el aluminio puro. El aluminio es un metal plateado muy ligero. Su masa atómica es 26.9815; tiene un punto de fusión de 660 ºC, un punto de ebullición de 2.467 ºC y una densidad

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relativa de 2.7. Es un metal muy electropositivo y muy reactivo. Al contacto con el aire se cubre rápidamente con una capa dura y transparente de óxido de aluminio que resiste la posterior acción corrosiva. Por esta razón, los materiales hechos de aluminio no se oxidan. El metal reduce muchos compuestos metálicos a sus metales básicos. Por ejemplo, al calentar termita (una mezcla de óxido de hierro y aluminio en polvo), el aluminio extrae rápidamente el oxígeno del óxido; el calor de la reacción es suficiente para fundir el hierro. Este fenómeno se usa en el proceso Goldschmidt o Termita para soldar hierro. Entre los compuestos más importantes del aluminio están el óxido, el hidróxido, el sulfato y el sulfato mixto. El óxido de aluminio es anfótero, es decir, presenta a la vez propiedades ácidas y básicas. El cloruro de aluminio anhidro es importante en la industria petrolífera. Muchas gemas (el rubí y el zafiro, por ejemplo) consisten principalmente en óxido de aluminio cristalino. El aluminio es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre; sólo los no metales oxígeno y silicio son más abundantes. Se encuentra normalmente en forma de silicato de aluminio puro o mezclado con otros metales como sodio, potasio, hierro, calcio y magnesio, pero nunca como metal libre. Los silicatos no son menas útiles, porque es extremamente difícil, y por tanto muy caro, extraer el aluminio de ellas. La bauxita, un óxido de aluminio hidratado impuro, es la fuente comercial de aluminio y de sus compuestos. En 1886, Charles Martin Hall en Estados Unidos y Paul L. T. Héroult en Francia descubrieron por separado y casi simultáneamente que el óxido de aluminio o alúmina se disuelve en criolita fundida (Na3AlF6), pudiendo ser descompuesta electrolíticamente para obtener el metal fundido en bruto. El proceso Hall-Héroult sigue siendo el método principal para la producción comercial de aluminio, aunque se están estudiando nuevos métodos. La pureza del producto se ha incrementado hasta 99.5% de aluminio puro en un lingote comercialmente puro; más tarde puede ser refinado hasta un 99.99 por ciento. Un volumen dado de aluminio pesa menos que 1/3 del mismo volumen de acero. Los únicos metales más ligeros son el litio, el berilio y el magnesio. Debido

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a su elevada proporción resistencia-peso es muy útil para construir aviones, vagones ferroviarios y automóviles, y para otras aplicaciones en las que es importante la movilidad y la conservación de energía. Por su elevada conductividad térmica, el aluminio se emplea en utensilios de cocina y en pistones de motores de combustión interna. Solamente presenta 63% de la conductividad eléctrica del cobre para alambres de un tamaño dado, pero pesa menos de la mitad. Un alambre de aluminio de conductividad comparable a un alambre de cobre es más grueso, pero sigue siendo más ligero que el de cobre. El peso tiene mucha importancia en la transmisión de electricidad de alto voltaje a larga distancia, y actualmente se usan conductores de aluminio para transmitir electricidad a 700 000 voltios o más. El metal es cada vez más importante en arquitectura, tanto con propósitos estructurales como ornamentales. Las tablas, las contraventanas y las láminas de aluminio constituyen excelentes aislantes. Se utiliza también en reactores nucleares a baja temperatura porque absorbe relativamente pocos neutrones. Con el frío, el aluminio se hace más resistente, por lo que se usa a temperaturas criogénicas. El papel de aluminio de 0.018 cm de espesor, actualmente muy utilizado en usos domésticos, protege los alimentos y otros productos perecederos. Debido a su poco peso, a que se moldea fácilmente y a su compatibilidad con comidas y bebidas, el aluminio se usa mucho en contenedores, envoltorios flexibles, botellas y latas de fácil apertura. El reciclado de dichos recipientes es una medida de conservación de la energía cada vez más importante. La resistencia a la corrosión al agua del mar del aluminio también lo hace útil para fabricar cascos de barco y otros mecanismos acuáticos. Se puede preparar una amplia gama de aleaciones recubridoras y aleaciones forjadas que proporcionen al metal más fuerza y resistencia a la corrosión o a las temperaturas elevadas. Algunas de las nuevas aleaciones pueden utilizarse como planchas de blindaje para tanques y otros vehículos militares. La producción mundial de aluminio ha experimentado un rápido crecimiento, aunque se estabilizó a partir de 1980. En 1900 esta producción era de 7 300 toneladas, en 1938 de 598 000 toneladas y en 1994 la producción de aluminio

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primario fue de unos 19 millones de toneladas. Los principales países productores son Estados Unidos, Rusia, Canadá, China y Australia. El aluminio es el elemento químico de número atómico 13 y de masa atómica Al = 26.9815. Es un metal blanco, brillante y de densidad 2.7. Su punto de fusión es de 660 ºC y el de ebullición 2056 ºC. Su resistividad eléctrica es de 2.63 ohmios. En estado puro es blando y muy maleable. Aunque es muy oxidable no se altera en el aire ni se descompone en el agua ya que queda protegido por una delgada capa alúmina amorfa. Arde en el oxígeno y en el cloro. Es un mineral descubierto en el siglo xix. Wöhler fue quien lo aisló por primera vez en 1827 tratando cloruro de aluminio con potasio. Su fabricación industrial se inició en 1854, gracias a Sainte-Claire Deville; su metalurgia por electrólisis la consiguieron simultáneamente, en 1886, el francés Héroult y el norteamericano Hall. Actualmente es el metal más utilizado junto al hierro. La industria aeronáutica debe su desarrollo a las aleaciones ligeras, así como, los progresos realizados por la industria del aluminio se deben en gran parte a los trabajos consagrados a mejorar el rendimiento de los aviones. La industria del automóvil es la que más utiliza el aluminio a causa de su ligereza (pistones, cárteres, puente posterior y carrocería), de su buena conducción térmica (bloques y culatas) y de sus posibilidades decorativas (rejillas, cercos de faros, empuñaduras). La industria eléctrica hace gran uso del aluminio, cuya conductibilidad es igual a 62% de la del cobre, con una densidad tres veces menor, así, un conductor de aluminio es dos veces mas ligero y menos costoso que un conductor equivalente de cobre. Se hacen con aluminio todas las líneas aéreas, barras de conexión, cables aislados, bobinados, etc. También se usa en lugar del plomo para enfundado de cables armados. El aluminio es un excelente material de envoltura por su inocuidad, impermeabilidad y opacidad a los rayos ultravioletas. La metalurgia actual del aluminio se basa en la reducción electrolítica de la alumina obtenida a partir de la bauxita. La alúmina disuelta en la criolita fundida se somete, a alta temperatura, a la acción de una corriente eléctrica

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continua, descomponiéndose en aluminio y oxígeno. Prácticamente, se produce un depósito de aluminio fundido en el fondo de la cuba (cátodo) y un desprendimiento de oxígeno en el ánodo de carbón que se oxida. Los gases liberados se componen de óxido de carbono y anhídrido carbónico. La operación se efectúa en una cuba rectangular de hierro revestida interiormente con briquetas de carbono precocidas (antracita). La corriente es conducida por numerosas barras de hierro soldadas a los bloques del fondo que sirven de cátodo. Se pueden emplear ánodos precocidos, constituidos por bloques o briquetas de coque de petróleo, aglomerados con alquitrán, prensado y recogido a 1 200 ºC, o bien ánodos continuos Söderberg. La intensidad de la corriente alcanza ordinariamente 100 000 amperios a una tensión media de 4.9 voltios. La temperatura se mantiene por efecto Joule entre 950 y 1 000 ºC. El aluminio así obtenido tiene una pureza de 99.5 a 99.8%. Se elabora el aluminio refinado de 99.99% de pureza mediante afinado electrolítico. Es una roca por lo general blanda que puede rayarse con el corta plumas. Es de color amarillento, aunque a veces se presenta en colores rojizos u oscuros debido al hierro. Antes de la segunda guerra mundial, no se conocían los yacimientos más importantes en la actualidad. En 1974 Australia y Jamaica eran los primeros productores mundiales, seguidos de Surinam, Guinea, Rusia y Guayana.

1.4. OBTENCIÓN DEL ACERO El hierro de símbolo Fe, es un elemento metálico, magnético, maleable y de color blanco plateado. Tiene de número atómico 26 y es uno de los elementos de transición del sistema periódico. El hierro fue descubierto en la prehistoria era utilizado como adorno y para fabricar armas; el objeto más antiguo, aún existente, es un grupo de cuentas oxidadas encontrado en Egipto, y data del 4 000 a.n.e. El término arqueológico edad del hierro se aplica sólo al periodo en el que se extiende la utilización y el

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trabajo del hierro. El procesado moderno del hierro no comenzó en Europa central hasta la mitad del siglo xiv. El hierro puro tiene una dureza que oscila entre 4 y 5. Es blando, maleable y dúctil. Se magnetiza fácilmente a temperatura ordinaria; es difícil magnetizarlo en caliente, y a unos 790 °C desaparecen las propiedades magnéticas. Tiene un punto de fusión de unos 1 535 °C, un punto de ebullición de 2 750 °C y una densidad relativa de 7.86. Su masa atómica es 55.847. El metal existe en tres formas alotrópicas distintas: hierro ordinario o hierro-a (hierro-alfa), hierro-g (hierro-gamma) y hierro-d (hierro-delta). La disposición interna de los átomos en la red del cristal varía en la transición de una forma a otra. La transición de hierro-a a hierro-g se produce a unos 910 °C, y la transición de hierro-g a hierro-d se produce a unos 1.400 °C. Las distintas propiedades físicas de las formas alotrópicas y la diferencia en la cantidad de carbono admitida por cada una de las formas desempeñan un papel importante en la formación, dureza y temple del acero. Químicamente el hierro es un metal activo. Se combina con los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo y astato) y con el azufre, fósforo, carbono y silicio. Desplaza al hidrógeno de la mayoría de los ácidos débiles. Arde con oxígeno formando tetróxido triférrico (óxido ferrosoférrico), Fe3O4. Expuesto al aire húmedo, se corroe formando óxido de hierro hidratado, una sustancia pardorojiza, escamosa, conocida comúnmente como orín. La formación de orín es un fenómeno electroquímico en el cual las impurezas presentes en el hierro interactúan eléctricamente con el hierro metal. Se establece una pequeña corriente en la que el agua de la atmósfera proporciona una disolución electrolítica. El agua y los electrólitos solubles aceleran la reacción. En este proceso, el hierro metálico se descompone y reacciona con el oxígeno del aire para formar el orín. La reacción es más rápida en aquellos lugares donde se acumula el orín, y la superficie del metal acaba agujereándose. Al sumergir hierro en ácido nítrico concentrado, se forma una capa de óxido que lo hace pasivo, es decir, no reactivo químicamente con ácidos u otras sustancias.

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La capa de óxido protectora se rompe fácilmente golpeando o sacudiendo el metal, que vuelve así a ser activo. El hierro sólo existe en estado libre en unas pocas localidades, en concreto al oeste de Groenlandia. También se encuentra en los meteoritos, normalmente aleado con níquel. En forma de compuestos químicos, está distribuido por todo el mundo, y ocupa el cuarto lugar en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre; después del aluminio, es el más abundante de todos los metales. Los principales minerales de hierro son las hematites. Otros minerales importantes son la goetita, la magnetita, la siderita y el hierro del pantano (limonita). La pirita, que es un sulfuro de hierro, no se procesa como mineral de hierro porque el azufre es muy difícil de eliminar. Para más detalles sobre el procesado de los minerales de hierro, véase Siderurgia. También existen pequeñas cantidades de hierro combinadas con aguas naturales y en las plantas; además, es un componente de la sangre. El hierro puro, preparado por la electrólisis de una disolución de sulfato de hierro (II), tiene un uso limitado. El hierro comercial contiene invariablemente pequeñas cantidades de carbono y otras impurezas que alteran sus propiedades físicas, pero éstas pueden mejorarse considerablemente añadiendo más carbono y otros elementos de aleación. La mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidas a un tratamiento especial, como el hierro forjado, el hierro colado y el acero. Comercialmente, el hierro puro se utiliza para obtener láminas metálicas galvanizadas y electroimanes. Los compuestos de hierro se usan en medicina para el tratamiento de la anemia, es decir, cuando desciende la cantidad de hemoglobina o el número de glóbulos rojos en la sangre. En la actualidad se producen alrededor de 1 000 millones de toneladas anuales siendo éste el de más utilización industrial. El hierro forma compuestos en los que tiene valencia +2 (antiguamente compuestos ferrosos) y compuestos en los que tiene valencia +3 (antiguamente

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compuestos férricos). Los compuestos de hierro (II) se oxidan fácilmente a compuestos de hierro (III). El compuesto más importante de hierro (II) es el sulfato de hierro (II), FeSO4, denominado caparrosa verde; normalmente existe en forma de cristales verde pálido que contienen siete moléculas de agua de hidratación. Se obtiene en grandes cantidades como subproducto al limpiar el hierro con baño químico, y se utiliza como mordiente en el teñido, para obtener tónicos medicinales y para fabricar tinta y pigmentos. El óxido de hierro (III), un polvo rojo amorfo, se obtiene tratando sales de hierro (III) con una base y también oxidando pirita. Se utiliza como pigmento, y se denomina rojo de hierro o rojo veneciano. También se usa como abrasivo para pulir y como medio magnetizable de cintas y discos magnéticos. El cloruro de hierro (III), que se obtiene en forma de cristales brillantes de color verde oscuro al calentar hierro con cloro, se utiliza en medicina y como una disolución alcohólica llamada tintura de hierro. Los iones de hierro (II) y hierro (III) se combinan con los cianuros para formar compuestos de coordinación. El hexacianoferrato (II) de hierro (III) o ferrocianuro férrico, Fe4 [Fe (CN)6]3, es un sólido amorfo azul oscuro formado por la reacción de hexacianoferrato (II) de potasio con una sal de hierro (III) y se conoce como azul de Prusia. Se usa como pigmento en pintura y como añil en el lavado de ropa para corregir el tinte amarillento dejado por las sales de hierro (II) en el agua. El hexacianoferrato (III) de potasio, K3Fe (CN)6, llamado prusiato rojo, se obtiene del hexacianoferrato (III) de hierro (II), Fe3 [Fe (CN)6]2. A éste se le llama también azul de Turnbull y se usa para procesar el papel de calco. El hierro experimenta también ciertas reacciones fisicoquímicas con el carbono, que son esenciales para fabricar el acero. El hierro es el elemento químico de número atómico 26 y peso atómico Fe =55.85. Es un sólido grisáceo de densidad 7.85 que funde hacia 1 530 ºC y hierve más allá de 3 200 ºC. Antes de fundir se ablanda y se vuelve pastoso, lo cual permite labrarlo. Es dúctil, maleable, duro, y el más tenaz de los metales corrientes. Es también el principal de los metales magnéticos. Sin embargo, el aire húmedo ataca lentamente, formando herrumbre, óxido férrico hidratado.

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Como esta herrumbre es porosa, la corrosión profundiza y prosigue hasta la destrucción total del metal; por lo tanto, es indispensable protegerlo para su uso. El hierro es extraído de varios minerales entre ellos la pirita, la magnetita, la hematita y la siderita. •

•

La pirita: es un agregado granular o fibroso radiado, informe y en masas compactas. Tiene un brillo metálico y una raya de color negro verdoso. Es frágil y opaca. Además es muy poco magnética. Es del grupo de los sulfuros. En España hay yacimientos en Riotinto, Huelva, en Almadén, Ciudad Real y en la Rioja. También sirve para la obtención del ácido sulfúrico y sus sales. La magnetita: es una masa compacta de grano grueso o fino, granos sueltos, agregados hojosos y también en cristales aislados o agrupados. En España hay bastantes yacimientos, como los de Cabo de Gata y Sierra Almagrera en Almería, el Pedroso en Sevilla, o el Figueró en Barcelona. La hematina: es normalmente terrosa. Se puede presentar en forma de cristales implantados, incluidos o agrupados en rosetas (rosas de hierro). Es del grupo de los óxidos. En España lo podemos encontrar en: Somorrostro, Vizcaya, en Hiendelaencina, Guadalajara y El Pedroso, en Sevilla. También podemos encontrar yacimientos en Sierra Almagrera, Almería, Jumilla, Murcia o Vall de Ribes, en Girona. La siderita: es una masa compacta espática de grano grueso o fino. Es del grupo de los carbonatos. En Cataluña la encontramos en Sant Llorenç de la Muga, Costabona y Bossot. Sector primario o de extracción

En el diagrama 1 la fusión primaria del hierro integra las actividades que se desarrollan en el proceso productivo de la obtención del arrabio.

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Diagrama 1.Obtención del arrabio Aire Extracción del mineral de hierro

Transporte del mineral de hierro

Explotación de coque

Transporte del mineral de coque

Explotación de la piedra caliza

Transporte de la piedra caliza

Preparación del mineral •Lavado •Quebrado •Cribado

Escoria

Alto horno Arrabio

Preparación del mineral de coque •Refinado •Calentado

Preparación del mineral •Lavado •Quebrado •Cribado

Noventa por ciento de todos los bienes de consumo fabricados a escala mundial son de hierro y acero. Los procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1 200 antes de nuestra era. Tabla. 1. Principales minerales de los que se extrae el hierro

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Hematita (mena roja)

70% de hierro

Magnetita (mena negra)

72.4% de hierro

Siderita (mena café pobre)

48.3% de hierro

Limonita (mena café)

60-65% de hierro

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La mena café es la mejor para la producción de hierro, existen grandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran contenido de azufre. Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales: 1. 2. 3. 4.

Mineral de hierro. Coque. Piedra caliza. Aire.

Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio. El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden. A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales. Reducción directa del acero De forma general, el Hierro de Reducción Directa (hrd) es el producto obtenido en cualquiera de los procesos de Reducción Directa (rd). Hecha esa afirmación es necesario definir algunos conceptos tales como rd, hrd, y muchos otros relacionados con esta área de la siderurgia. Aparte del hierro nativo o el proveniente de las estrellas (meteoros), el hierro de reducción directa era la única fuente de hierro hecho y utilizado por el hombre

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antes del desarrollo del alto horno alrededor del siglo xiv. Los procesos de reducción directa eran en tiempos antiguos y aún hoy día, procesos en los cuales la reducción de materiales que contienen hierro, se realizaba a temperaturas menores que la de la fusión del hierro. La diferencia estriba en los equipos, materia prima y combustibles utilizados a través del tiempo. Todos esos métodos para producir hierro mediante la reducción de materiales que lo contienen a temperaturas inferiores a la de fusión de éste o de las impurezas en el mineral, se conocen como procesos de reducción directa. Antiguamente ésta era la única manera de obtener hierro debido a la falta de recursos. En esa época, el hombre tenía a su disposición mineral con alto contenido de hiero, madera para ser utilizada como combustible que se combinaban para obtener hierro, en hornos con soleras bajas o de cuba baja, con una contextura esponjosa mezclado con escoria. A este material se le llamó hierro esponja, nombre que posteriormente se aplicó, inicialmente, al producto de los procesos modernos de reducción directa. El hierro esponja, en tiempos antiguos, era llevado a la forma deseada golpeándolo con una especie de martillo y al mismo tiempo eliminando parte de la escoria y obteniendo propiedades similares al acero. Muchos nombres se han utilizado para referirse al producto de los procesos de reducción directa: hiero esponja, hrd, Prerreducido, Hierro reducido, etcétera. Aparentemente, de todos ellos el que ha ganado más aceptación ha sido es hrd. A continuación, algunos comentarios acerca de esos nombres. •

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Hierro esponja: aplicado al producto de los procesos iniciales el cual era de baja metalización. El nombre se adoptó de la naturaleza esponjosa del material. Este término también se aplicó al producto de los productos de los procesos modernos iniciales, hacia fines del siglo xix y mediados del siglo xx. Aparentemente ha sido descartado de la literatura técnica especializada aunque existe una asociación de productores de hierro esponja en la India, que agrupa a los operadores de plantas de rd en esa área.

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Hierro de Reducción Directa (hrd): nombre adoptado por la industria hacia finales de la década de 1970 y principios de la década de 1980, para referirse a un material de alta metalización. El término reivindica el hecho de que este material se produce en procesos que se han definido como procesos de reducción directa. Tiene sentido entonces utilizar este término. Prerreducido y hierro reducido: a diferencias con hrd y hierro esponja, los cuales se refieren, al método de fabricación y a su apariencia respectivamente, no hay un soporte aparente para su utilización, excepto el que se deriva del uso común.

La producción de hierro esponja era la única manera disponible que tenía el hombre en la antigüedad para fabricar artefactos de hierro y de materiales similares al acero, se basaba en la relativa abundancia de materiales tales como mineral de hierro de alto tenor y carbón vegetal aunado a una baja temperatura de reducción. Aún después de la adopción del alto horno, los métodos de rd no fueron totalmente olvidados y durante los dos últimos siglos del último milenio, su utilización estuvo dirigida a encontrar maneras para utilizar minerales de bajo tenor y combustibles de baja calidad. Algún éxito se ha logrado en este sentido y algunos métodos han sido desarrollados que utilizan esos recursos, pero la mayoría de los procesos de rd comercialmente exitosos, requieren de materias primas e insumos adecuados. El propósito fundamental de la rd es el de fabricar unidades metálicas para ser utilizados en los hornos de fabricación de acero, pero también se utiliza para producir hierro en polvo que se utiliza en la pulvimetalurgia y como agente reductor en la industria química (véase figura 1). La rd ha alcanzado un estado de desarrollo reconocido y en sí misma constituye una rama establecida dentro de la industria siderúrgica. Actualmente la producción anual se ubica alrededor de las 45 MM t/a, que se obtienen en dos tipos de instalaciones, cautivas y comerciales. En las primeras donde las

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unidades que producen hrd están dentro de las instalaciones de una planta siderúrgica y cuyo producto se carga en los propios hornos para fabricar acero; y en las segundas constituidas por unidades aisladas cuya producción se vende a otras plantas y/o usualmente se exporta.

Figura 1. Aspecto del hierro esponja, mineral de hierro después de ser sometido al tratamiento de reducción directa (cortesía del doctor Gabriel Gojon, uanl). Producción de hierro esponja Tal vez la tecnología mexicana más conocida en el extranjero sea la que desarrolló la compañía Hojalata y Lámina de Monterrey (hylsa). Respecto al llamado hierro esponja. Fue el Ing. Juan Celada Salmón, quien inventó a mediados de los años cincuenta el proceso hyl de reducción directa del mineral del hierro, mediante el cual se obtiene el hierro esponja, materia prima para producir acero. En 1957, un efecto de la guerra de Corea fue la elevación de los precios de la chatarra. hylsa, que producía aeroplanos a partir de chatarra, tuvo que iniciar un programa de investigación cuyo resultado fue el proceso de reducción directa del mineral de hierro. Una tecnología tercermundista de primera línea.

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Treinta años más tarde, cuando la producción mundial de hierro alcanza los mil millones de toneladas, la tecnología de hylsa sigue siendo líder en el campo de obtención de hierro por reducción directa, como lo muestra el diagrama dos. Diagrama 2. Producción de hierro esponja

El proceso de producción de hierro esponja se lleva a cabo en un horno tubular rotatorio inclinado (veáse figura 2) tipo “kiln” en donde las materias primas como el hierro, carbón y caliza dolomítica son alimentadas bajo una dosificación predeterminada y una vez mezcladas son cargadas por un tubo directamente al horno. Después de secada y precalentada, la mezcla alcanza la temperatura de reducción la cual se efectúa por medio del monóxido de carbono suministrado a partir de la reacción del carbón bituminoso con el oxígeno del aire que se insufla con un control estequeométrico muy riguroso. La temperatura requerida por el proceso se alcanza y controla, por una velocidad predeterminada de la reacción de la combustión del carbón y la inyección del aire a través de los ventiladores dispuestos a lo largo del horno rotatorio, por este motivo se debe garantizar también una alta hermeticidad del horno respecto al ambiente exterior, para conocer en todo momento cual es el nivel de ingreso de oxígeno al ambiente reductor interno del horno.

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En un rango de temperatura entre 800 a 1 100 °C el mineral de hierro en estado sólido es reducido a hierro esponja. Al término del proceso el hierro esponja es descargado hacia el horno enfriador, junto con los materiales remanentes del carbón y caliza dolomítica, cargados inicialmente; el enfriamiento provoca la estabilización del producto para que no reoxide en el manipuleo a que será sometido posteriormente. La separación entre hierro esponja y materiales no magnéticos es efectuado por sistemas de zaranda y separadores electromagnéticos, para obtener un producto listo para su carguío a los hornos eléctricos. En algunos casos también es posible cargar directamente a los hornos eléctricos el hierro esponja caliente acompañado de los materiales remanentes, esta es una manera de aprovechar la energía térmica que lo acompaña acelerando su proceso de fusión.

Figura 2. Hornos para la producción de hierro esponja. El hierro esponja permite su utilización en el horno eléctrico como carga metálica en la fabricación del acero, con las ventajas consiguientes de ser un producto libre de residuales y un producto nacional que evita la importación. Este proyecto convertido hoy en una realidad permitirá al país un menor egreso de divisas calculadas en 10 millones de dólares anuales y el producto obtenido conjuntamente con el reciclado de metálicos optimizará la calidad. En el método de reducción directa para procesar 1 000 toneladas de mineral de hierro, se requieren 491 000 metros cúbicos de metano y con ello se obtienen 630 toneladas de hierro esponja.

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El alto horno En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior a los 60 m representados en la figura 3. Están revestidos de refractario de alta calidad. Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1 600 toneladas de arrabio cada 24 horas. La caliza, el coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por medio de vagones que son volteados en una tolva. Para producir 1 000 toneladas de arrabio, se necesitan 2 000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque, 500 toneladas de piedra caliza y 4 000 toneladas de aire caliente. Con la inyección de aire caliente a 550 °C, se reduce el consumo de coque en 70%. Los sangrados del horno se hacen cada 5 o 6 horas, y por cada tonelada de hierro se produce 1/2 de escoria.

Figura 3. Vista de un alto horno.

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Diferentes procesos de producción de hierro y acero Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para que se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o acero comercial. A continuación se presentan los principales procesos de fabricación de los hierros y aceros comerciales. Proceso de pudelado El hierro dulce contiene más de 1% de carbono. Para su obtención se requiere del proceso conocido como pudelado, el que consiste en fundir arrabio y chatarra en un horno de reverbero de 230 kg, este horno es calentado con carbón, aceite o gas. Se eleva la temperatura lo suficiente para eliminar por oxidación el carbón, el silicio, y el azufre. Para eliminar todos los elementos diferentes al hierro, el horno de pudelado debe estar recubierto con refractario de la línea básica (ladrillos refractarios con magnesita y aluminio). El material se retira del horno en grandes bolas en estado pastoso y el material producido se utiliza para la fabricación de aleaciones especiales de metales. Existen otros procedimientos modernos como el llamado proceso Aston, en donde en lugar del horno de reverbero se usa un convertidor Bessemer con lo que se obtienen mayor cantidad de material. Hornos Bessemer Este horno fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800 es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha sido substituido por el horno básico de oxígeno (bof por sus siglas en inglés), el que a continuación se describe.

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Horno básico de oxígeno (bof)

Es un horno muy parecido al Bessemer difiere en que a éste, en lugar de inyectarle aire a presión se le inyecta oxígeno, (véase esquema 1), con lo que se eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operación del horno es superior a los 1 650 °C y es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad.

Tolva de

almacenamiento Transportador

Elevador de la lanza de oxígeno Balanza tolva Tolva igualadora

Grúa de carga

Grúa de chatarra Grúa de colada

Cubierta Caja de chispa

Caja de chatarra

Lanza de oxígeno Carro para trasladar el caldero

Caldero de carga Caja de chatarra

Crisol de escoria

Moldes en fila Horno Pasillo de foso de colada

Pasillo de horno

Pasillo de carga

Pasillo de chatarra

Esquema 1. Esquema de una planta de oxigeno para producción de acero Horno de hogar abierto Es uno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un horno de este tipo puede contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su interior (véase esquema 2). Tiene un fondo poco profundo y la flama da directamente sobre la carga, por lo que es considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede ser gas, brea o petróleo, por lo regular estos hornos tienen

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chimeneas laterales las que además de expulsar los gases sirven para calentar al aire y al combustible, por lo que se consideran como hornos regenerativos. Los recubrimientos de los hornos de hogar abierto por lo regular son de línea básica sin embargo existen también los de línea ácida (ladrillos con sílice y paredes de arcilla). Las ventajas de una línea básica de refractario, sobre una ácida son que con la primera se pueden controlar o eliminar el fósforo, el azufre, el silicio, el magnesio y el carbono y con la línea ácida sólo se puede controlar al carbono. El costo de la línea básica es mayor que el de la ácida. Duc

Camaras regenerativas

tos de aire Du cto sd eg as

Puertas de carga

Sangrador

aire de tos c u D gas de tos c u D

Camaras regenerativas

Esquema 2. Vista seccional de un horno de hogar abierto Los hornos de hogar abierto son cargados con arrabio en su totalidad o con la combinación de arrabio y chatarra de acero. El arrabio puede estar fundido o en estado sólido. La primera carga del horno tarda 10 h en ser fundida y estar lista para la colada, pero si se agrega oxígeno se logra tener resultados en menos de 7 h, además de que se ahorra 25% de combustible. Horno de arco eléctrico Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de acero para herramientas de alta calidad,

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de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando la función de éstos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica. Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50 000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza. Los hornos de arco eléctrico figura 8 funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760 mm de diámetro y longitud de hasta 12 m. La mayoría de los hornos operan a 40 V y la corriente eléctrica es de 12 000 amperes. Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario, su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera. Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etcétera. Horno de refinación Estos hornos pueden ser de varios tipos, en realidad puede ser cualquier horno al que por medio de aire u oxígeno se obtenga hierro con carbón controlado, sin embargo se pueden mencionar dos de los hornos más conocidos para este fin. Horno de inducción Utilizan una corriente inducida que circula por una bovina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia y la bovina es enfriada por agua, la corriente es de aproximadamente 1 000 Hz, la cual es

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suministrada por un sistema de motogenerador. Estos hornos se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas. El tiempo de fusión toma entre 50 y 90 minutos, fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. Los productos son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales. Horno de aire o crisol

Es el proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, ambos son extremadamente frágiles (véase esquema 3), los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la combustión. Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad excepto para la fusión de metales no ferrosos, su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kilogramos. A la chimenea Rejillas del piso

Crisol de grafito

Pozo para facilitar la limpieza de la ceniza

Esquema 3. Horno estacionario con coque (carbón mineral) Horno de cubilote Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer fundición de hierros colados. Consisten en un tubo de más de 4 metros

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de longitud y pueden tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro, se cargan por la parte superior con camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustión del coque se inyecta aire con unos ventiladores de alta presión, este accede al interior por unas toberas ubicadas en la parte inferior del horno. También estos hornos se pueden cargar con pellets de mineral de hierro o pedacería de arrabio sólido. Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a 10 kilogramos de hierro y por cada tonelada de hierro fundido se requieren 40 kg de piedra caliza y 5.78 metros cúbicos de aire. Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada tres horas. Este tipo de equipo es muy parecido al alto horno, sólo sus dimensiones disminuyen notablemente. El mayor problema de estos hornos es que sus equipos para el control de emisiones contaminantes es más costoso que el propio horno, por ello no se controlan sus emisiones de polvo y por lo tanto no se autoriza su operación. Clasificación de los aceros Con el fin de estandarizar la composición de los diferentes tipos de aceros que hay en el mercado la Society of Automotive Engineers (sae) y el American Iron and Steel Institute (aisi) han establecido métodos para identificar los diferentes tipos de acero que se fabrican. Ambos sistemas son similares para la clasificación. En ambos sistemas se utilizan cuatro o cinco dígitos para designar al tipo de acero. En el sistema aisi también se indica el proceso de producción con una letra antes del número. Primer dígito. Es un número con el que se indica el elemento predominante de aleación. 1= carbón, 2= níquel, 3=níquel cromo, 4=molibdeno, 5=cromo, 6=cromo vanadio, 8=triple aleación, 9 silicio magnesio.

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El segundo dígito. Es un número que indica el porcentaje aproximado en peso del elemento de aleación, señalado en el primer dígito. Por ejemplo un acero 2 540, indica que tiene aleación de níquel y que ésta es de 5 por ciento. Los dígitos 3 y 4. Indican el contenido promedio de carbono en centésimas, así en el ejemplo anterior se tendría que un acero 2 540 es un acero con 5% de níquel y 0.4% de carbón. Cuando en las clasificaciones se tiene una letra al principio esta indica el proceso que se utilizó para elaborar el acero: A = Acero básico de hogar abierto. B = Acero ácido de Bessemer al carbono. C = Acero básico de convertidos de oxígeno. D = Acero ácido al carbono de hogar abierto. E = Acero de horno eléctrico. A10XXX A = Proceso de fabricación. 10 = Tipo de acero. X = % de la aleación del tipo de acero. X = % de contenido de carbono en centésimas. Lingotes y colada continua Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metal mecánica, es necesario que el hierro se presente en barras, láminas, alambres, placas, tubos o perfiles estructurales, los que se obtienen de los procesos de rolado. Éste proceso consiste en pasar material por unos rodillos con una forma determinada, para que al aplicar presión el material metálico adquiera la forma que se necesita. El material metálico que alimenta a los rodillos debe tener una forma determinada, esta forma se obtiene al colar en moldes el metal fundido que será procesado, a estos productos se les llama lingotes o lupias y pueden ser

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secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes (cilindros con un extremo menor que el otro) o lupias (lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares) pueden tener desde 25 kg hasta varias toneladas, todo dependerá de para qué se van a utilizar y con qué tipo de rodillos se van a procesar. Colada continua Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades se puede utilizar el método de la colada continua mostrado en la figura 4, el cual consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde el cual está frío por el sistema de agua, al pasar el material por éste se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada se corta y almacena. Por este medio se pueden fabricar perfiles, varillas y barras de diferentes secciones y láminas o placas de varios calibres y longitudes. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo para la fabricación de varios tipos de materiales de uso comercial.

Figura 4. Colada continua.

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Algunos elementos químicos en la fundición del hierro Existen muchos elementos químicos que dan las características de ingeniería a las aleaciones ferrosas, sin embargo hay algunos que se destacan por sus efectos muy definidos, a continuación se presentan algunos de estos elementos: •

•

• •

Carbono. Arriba de 4% baja la calidad del hierro, sin embargo se puede decir que es el elemento que le da dureza en porcentajes entre 0.1 y 0.8% y por medio de sus diferentes formas en las que se presenta, se pueden definir varias propiedades de las aleaciones y su grado de maquinabilidad. Con base a la cantidad de carbono en el hierro y las aleaciones se pueden definir o clasificar como se observó en los temas anteriores. Silicio. Este elemento hasta 3.25% es un ablandador del hierro y es el elemento predominante en la determinación de las cantidades de carbono en las aleaciones de hierro. El silicio arriba de 3.25% actúa como endurecedor. Las fundiciones con bajo contenido de silicio responden mejor a los tratamientos térmicos. Manganeso. Es un elemento que cuando se agrega a la fundición arriba de 0.5% sirve para eliminar al azufre del hierro. Como la mezcla producto del azufre y el manganeso tiene baja densidad flota y se elimina en forma de escoria. También aumenta la fluidez, resistencia y dureza del hierro. Azufre. No sirve de nada en el hierro, debe ser eliminado y controlado. Fósforo. Es un elemento que aumenta la fluidez del metal fundido y reduce la temperatura de fusión.

1.5. CONFORMADO DE METALES Todas las máquinas-herramienta tienen un conjunto de partes, actividades y principios que las distinguen y caracterizan.

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Tabla 2. Principales partes y funciones de las máquinas-herramienta

Parte

Función

Base

Sostiene y fija a la máquina sobre el piso, una mesa o su propia estructura. Existen tres tipos fundamentales de bases: a) Anclada al piso o cimentada b) Soporte sobre mesa o banco c) Integrada al cuerpo de la máquina

Bancada o soporte

Soporta las piezas de la máquina; en algunas sirve para el deslizamiento de las herramientas y en otras para la fijación de las piezas que se van a trabajar; por lo regular sobre la bancada o soporte se ubica el cabezal fijo de las máquinas

Tren motriz

Dota de movimiento a las diferentes partes de las máquinas, por lo regular se compone de las siguientes partes: a) Motor o motores b) Bandas c) Poleas d) Engranes o cajas de velocidades e) Tornillos sin fin f) Manijas o manivelas de conexión

En el cabezal fijo se ubican todas las partes móviles que Cabezal fijo y generan el movimiento del husillo principal. El husillo prinhusillo cipal es el aditamento en el que se colocan los sistemas de principal sujeción de las piezas a trabajar

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Sujeción de piezas de trabajo

Fija a las piezas que se van a trabajar, tanto a las que giran como a las que no, así se tiene: a) Chucks o mandriles b) Fijadores de arrastre c) Prensas d) Conos de fijación e) Ranuras de fijación f) Mordazas de uno o varios dientes g) Platos volteadores

Sujeción de herramientas

Fijan a las herramientas que desprenden las virutas y dan forma, las principales son: a) Torres b) Porta buriles c) Fijadores de una o varias uñas d) Barras porta fresas e) Broqueros f) Soportadores manuales

Parte

Función

Dotan de líquidos o fluidos para el enfriamiento de las herramientas y las piezas de corte. Por lo regular están dotados Enfriamiento de un sistema de bombeo, de conducción y recolección de líquidos Permiten o dotan de movimiento a las herramientas para lograr el desprendimiento continuo de virutas, los principales Mecanismos son: de avance y/o a) Carros porta herramientas penetración b) Brazos porta buriles o fresas c) Husillos de casco o de deslizamientos (taladro)

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Inician o interrumpen una acción de movimiento de una o varias partes de las máquinas, estas pueden ser: a) Tornillos sinfín conectados a engranes y partes de las Mecanismos máquinas de control b) Topes de señal para micro interruptores semiautomác) Motores de paso a paso ticos d) Unidades lectoras de cinta o automáticos e) Unidades receptoras de señales digitalizadas de computadoras computer administration manufacturin (cam) f) Sistemas de alimentación de material g) Sistemas de alimentación de herramientas h) Sistemas de inspección automáticos

Máquinas-herramientas convencionales Entre las máquinas-herramientas básicas se encuentran el torno, las perfiladoras, las cepilladoras y las fresadoras. Hay además máquinas taladradoras y perforadoras, pulidoras, sierras y diferentes tipos de máquinas para la deformación del metal. Torno El torno, la máquina giratoria más común y más antigua, sujeta una pieza de metal o de madera y la hace girar mientras un útil de corte da forma al objeto. El útil puede moverse paralela o perpendicularmente a la dirección de giro, para obtener piezas con partes cilíndricas o cónicas, o para cortar acanaladuras. Empleando útiles especiales un torno puede utilizarse también para obtener superficies lisas, como las producidas por una fresadora, o para taladrar orificios en la pieza.

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Perfiladora La perfiladora se utiliza para obtener superficies lisas. El útil se desliza sobre una pieza fija y efectúa un primer recorrido para cortar salientes, volviendo a la posición original para realizar el mismo recorrido tras un breve desplazamiento lateral. Esta máquina utiliza un útil de una sola punta y es lenta, porque depende de los recorridos que se efectúen hacia adelante y hacia atrás. Por esta razón no se suele utilizar en las líneas de producción, pero sí en fábricas de herramientas y troqueles o en talleres que fabrican series pequeñas y que requieren mayor flexibilidad. Cepilladora Esta es la mayor de las máquinas herramientas de vaivén. Al contrario que en las perfiladoras, donde el útil se mueve sobre una pieza fija, la cepilladora mueve la pieza sobre un útil fijo. Después de cada vaivén, la pieza se mueve lateralmente para utilizar otra parte de la herramienta. Al igual que la perfiladora, la cepilladora permite hacer cortes verticales, horizontales o diagonales. También puede utilizar varios útiles a la vez para hacer varios cortes simultáneos. Fresadora En las fresadoras, la pieza entra en contacto con un dispositivo circular que cuenta con varios puntos de corte. La pieza se sujeta a un soporte que controla el avance de la pieza contra el útil de corte. El soporte puede avanzar en tres direcciones: longitudinal, horizontal y vertical. En algunos casos también puede girar. Las fresadoras son las máquinas herramientas más versátiles. Permiten obtener superficies curvadas con un alto grado de precisión y un acabado excelente. Los distintos tipos de útiles de corte permiten obtener ángulos, ranuras, engranajes o muescas. Taladradoras y perforadoras Las máquinas taladradoras y perforadoras se utilizan para abrir orificios, para modificarlos, para adaptarlos a una medida, para rectificar o esmerilar un orificio a fin de conseguir una medida precisa o una superficie lisa.

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Hay taladradoras de distintos tamaños y funciones, desde taladradoras portátiles a radiales, pasando por taladradoras de varios cabezales, máquinas automáticas o máquinas de perforación de gran longitud. La perforación implica el aumento de la anchura de un orificio ya taladrado. Esto se hace con un útil de corte giratorio con una sola punta, colocado en una barra y dirigido contra una pieza fija. Entre las máquinas perforadoras se encuentran las perforadoras de calibre y las fresas de perforación horizontal y vertical (véase figura 5).

Figura 5. Ejemplos de máquinas perforadoras. Pulidora El pulido es la eliminación de metal con un disco abrasivo giratorio que trabaja como una fresadora de corte. El disco está compuesto por un gran número de granos de material abrasivo conglomerado, en que cada grano actúa como un útil de corte minúsculo. Con este proceso se consiguen superficies muy suaves y precisas, ya que sólo se elimina una parte pequeña del material con cada pasada del disco, las pulidoras requieren una regulación muy precisa. La presión

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del disco sobre la pieza se selecciona con mucha exactitud, por lo que pueden tratarse de esta forma materiales frágiles que no pueden procesarse con otros dispositivos convencionales. Sierras Las sierras mecánicas más utilizadas pueden clasificarse en tres categorías, según el tipo de movimiento que se utiliza para realizar el corte: de vaivén, circulares o de banda. Las sierras suelen tener un banco o marco, un tornillo para sujetar la pieza, un mecanismo de avance y una hoja de corte. Útiles y fluidos para el corte

Dado que los procesos de corte implican tensiones y fricciones locales y un considerable desprendimiento de calor, los materiales empleados en los útiles de corte deben ser duros, tenaces y resistentes al desgaste a altas temperaturas. Hay materiales que cumplen estos requisitos en mayor o menor grado, como los aceros al carbono (que contienen 1 o 1.2% de carbono), los aceros de corte rápido (aleaciones de hierro con volframio, cromo, vanadio o carbono), el carburo de tungsteno y los diamantes. También tienen estas propiedades los materiales cerámicos y el óxido de aluminio. En muchas operaciones de corte se utilizan fluidos para refrigerar y lubricar. La refrigeración alarga la vida de los útiles y ayuda a fijar el tamaño de la pieza terminada. La lubricación reduce la fricción, limitando el calor generado y la energía necesaria para realizar el corte. Los fluidos para corte son de tres tipos: soluciones acuosas, aceites químicamente inactivos y fluidos sintéticos. Prensas Las prensas dan forma a las piezas sin eliminar material, o sea, sin producir viruta. Una prensa consta de un marco que sostiene una bancada fija, un pistón, una fuente de energía y un mecanismo que mueve el pistón en paralelo o en ángulo recto con respecto a la bancada. Las prensas cuentan con troqueles y punzones

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que permiten deformar, perforar y cizallar las piezas. Estas máquinas pueden producir piezas a gran velocidad porque el tiempo que requiere cada proceso es sólo el desplazamiento del pistón, algunas de ellas se muestran en la figura seis.

Figura 6. Máquinas-herramientas no convencionales. Entre las máquinas-herramientas no convencionales se encuentran las máquinas de arco de plasma, las de rayo láser, las de descarga eléctrica y las electroquímicas, ultrasónicas y de haz de electrones. Estas máquinas fueron desarrolladas para dar forma a aleaciones de gran dureza utilizadas en la industria pesada y en aplicaciones aeroespaciales. También se usan para dar forma y grabar materiales muy delgados que se utilizan para fabricar componentes electrónicos como los microprocesadores. Arco de plasma La mecanización con arco de plasma utiliza un chorro de gas a alta temperatura y gran velocidad para fundir y eliminar el material. El arco de plasma se utiliza para cortar materiales difíciles de seccionar con otros métodos, como el acero inoxidable y las aleaciones de aluminio.

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Láser

La mecanización por rayo láser se consigue dirigiendo éste con mucha precisión, para vaporizar el material que se desea eliminar. Este método es muy adecuado para hacer orificios con gran exactitud. También puede perforar metales refractarios,cerámicos y piezas muy finas sin abarquillarlas. Otra aplicación es la fabricación de alambres muy finos. Descarga eléctrica La mecanización por descarga eléctrica, conocida también como erosión por chispa, utiliza la energía eléctrica para eliminar material de la pieza sin necesidad de tocarla. Se aplica una corriente de alta frecuencia entre la punta del útil y la pieza, haciendo que salten chispas que vaporizan puntos pequeños de la pieza. Como no hay ninguna acción mecánica, pueden realizarse operaciones delicadas con piezas frágiles. Este método produce formas que no pueden conseguirse con procesos de mecanizado convencionales. Electroquímica Este tipo de mecanización emplea también la energía eléctrica para eliminar material. Se crea una celda electrolítica en un electrolito, utilizando el útil como cátodo y la pieza como ánodo y se aplica una corriente de alta intensidad pero de bajo voltaje para disolver el metal y eliminarlo. La pieza debe ser de material conductor. Con la mecanización electroquímica son posibles muchas operaciones como grabar, marcar, perforar y fresar. Ultrasónica La mecanización ultrasónica utiliza vibraciones de alta frecuencia y baja amplitud para crear orificios y otras cavidades. Se fabrica un útil relativamente blando con la forma deseada y se aplica contra la pieza con vibración, utilizando un material abrasivo y agua. La fricción de las partículas abrasivas corta poco a poco la pieza. Este proceso permite mecanizar con facilidad aceros endurecidos, carburos, rubíes, cuarzo, diamantes y vidrio.

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Extracción y Refinación del Petróleo Generalidades Petróleo, líquido oleoso bituminoso de origen natural compuesto por diferentes sustancias orgánicas. También recibe los nombres de petróleo crudo, crudo petrolífero o simplemente “crudo”. Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre y se emplea como combustible y materia prima para la industria química. Las sociedades industriales modernas utilizan el petróleo como energético sobre todo para lograr un grado de movilidad en transportes terrestres y marítimos (véase figura 7). Además, el petróleo y sus derivados se emplean para fabricar medicinas, fertilizantes, productos alimenticios, objetos de plástico, materiales de construcción, pinturas, textiles, y para generar electricidad.

Figura 7. Barco velero de alta velocidad con consumo mínimo de combustible. 87

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2.1. EXTRACCIÓN El problema de la génesis del petróleo ha sido, por mucho tiempo, un tópico de investigación de interés. Se sabe que la formación del petróleo está asociada al desarrollo de rocas sedimentarias, depositadas en ambientes marinos o próximos al mar, y que es el resultado de procesos de descomposición de organismos de origen vegetal y animal que en tiempos remotos quedaron incorporados en esos depósitos. Se tiene noticia de que en otro tiempo, los árabes y los hebreos empleaban el petróleo con fines medicinales. En México los antiguos pobladores tenían conocimiento de esta sustancia, pues fue empleada de diversas formas entre las cuales se cuenta la reparación de embarcaciones para la navegación por los ríos haciendo uso de sus propiedades impermeabilizantes. Las exploraciones petroleras iniciaron hace más de cien años (en 1859, Edwin Drake inició una nueva época cuando encontró petróleo en Pennsylvania, a una profundidad de sólo 69 pies), cuando las perforaciones se efectuaban cerca de filtraciones de petróleo; las cuales indicaban que el petróleo se encontraba bajo la superficie. Actualmente se utilizan técnicas sofisticadas, como mediciones sísmicas, de microorganismos e imágenes de satélite. Potentes computadoras asisten a los geólogos para interpretar sus descubrimientos. Pero, finalmente, solo la perforadora puede determinar si existe o no petróleo bajo la superficie. Se ha encontrado petróleo en todos los continentes excepto en la Antártica. En su estado natural se le atribuye un valor mineral, siendo susceptible de generar, a través de procesos de transformación industrial, productos de alto valor, como son los combustibles, lubricantes, ceras, solventes y derivados petroquímicos. El petróleo no se encuentra distribuido de manera uniforme en el subsuelo hay que tener presencia de al menos cuatro condiciones básicas para que éste se acumule:

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• • • •

Debe existir una roca permeable de forma tal que bajo presión el petróleo pueda moverse a través de los poros microscópicos de la roca. La presencia de una roca impermeable, que evite la fuga del aceite y gas hacia la superficie. El yacimiento debe comportarse como una trampa, ya que las rocas impermeables deben encontrarse dispuestas de tal forma que no existan movimientos laterales de fuga de hidrocarburos. Debe existir material orgánico suficiente y necesario para convertirse en petróleo por el efecto de la presión y temperatura que predomine en el yacimiento. Tipos de petróleo

Son miles los compuestos químicos que constituyen el petróleo y, entre muchas otras propiedades, estos compuestos se diferencian por su volatilidad (dependiendo de la temperatura de ebullición). Al calentarse el petróleo se evaporan preferentemente los compuestos ligeros (de estructura química sencilla y bajo peso molecular), de tal manera que conforme aumenta la temperatura, los componentes más pesados van incorporándose al vapor. Para exportación, en México se preparan tres variedades de petróleo crudo: • • •

Istmo. Ligero con densidad de 33.6 grados API y 1.3% de azufre en peso. Maya. Pesado con densidad de 22 grados API y 3.3% de azufre en peso. Olmeca. Superligero con densidad de 39.3 grados API y 0.8% de azufre en peso.

Las curvas de destilación tbp (del inglés true boiling point, temperatura de ebullición real) distinguen los diferentes tipos de petróleo y definen los rendimientos que se pueden obtener de los productos por separación directa. Por ejemplo, mientras que en el crudo Istmo se obtiene un rendimiento directo de 26% volumétrico de gasolina, en el Maya sólo se obtiene 15.7 por ciento.

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La industria mundial de hidrocarburos líquidos clasifica el petróleo de acuerdo a su densidad api (Parámetro internacional del Instituto Americano del Petróleo, que diferencia las calidades del crudo). Tabla 3. Clasificación del petróleo de acuerdo a su densidad Aceite crudo

Densidad ( g/cm3)

Densidad grados api

Extrapesado

>1.0

10.0

Pesado

1.0 – 0.92

10.0 – 22.3

Mediano

0.92 – 0.87

22.3 – 31.1

Ligero

0.87 – 0.83

31.1 – 39

< 0.83

> 39

Superligero

El petróleo mexicano es materia prima de calidad que se encuentra presente en toda la industria nacional e internacional: transporte, alimentos, fármacos, fertilizantes, pinturas, textiles, etcétera. Evolución histórica del aprovechamiento del petróleo Los seres humanos conocen los depósitos superficiales de petróleo crudo desde hace miles de años. Durante mucho tiempo se emplearon para fines limitados, como el calafateado de barcos, la impermeabilización de tejidos o la fabricación de antorchas. En la época del renacimiento, el petróleo de algunos depósitos superficiales se destilaba para obtener lubricantes y productos medicinales, pero la auténtica explotación del petróleo no comenzó hasta el siglo xix. Para entonces, la Revolución Industrial había desencadenado la búsqueda de nuevos combustibles y los cambios sociales hacían necesario un aceite bueno y barato para las lámparas. El aceite de ballena únicamente lo

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utilizaban los ricos, las velas de sebo tenían un olor desagradable y el gas del alumbrado sólo llegaba a los edificios de construcción reciente situados en zonas metropolitanas. La búsqueda de un mejor combustible para las lámparas llevó a una gran demanda de “aceite de piedra” o petróleo, y a mediados del siglo xix varios científicos desarrollaron procesos para su uso comercial. El británico James Young comenzó a fabricar diversos productos a partir del petróleo, aunque después Young centró sus actividades en la destilación de carbón y la explotación de esquistos petrolíferos. En 1852, el físico y geólogo canadiense Abraham Gessner obtuvo una patente para producir a partir de petróleo crudo un combustible para lámparas relativamente limpio y barato, el queroseno. Tres años más tarde, el químico estadounidense Benjamín Silliman publicó un informe que indicaba la amplia gama de productos útiles que se podían obtener mediante la destilación del petróleo. Con ello empezó la búsqueda de mayores suministros de petróleo. Hacía años que la gente sabía que en los pozos perforados para obtener agua o sal se producían en ocasiones filtraciones de petróleo, por lo que pronto surgió la idea de realizar perforaciones para obtenerlo. Los primeros pozos de este tipo se hicieron en Alemania entre 1857 y 1859, pero el acontecimiento que obtuvo fama mundial fue la perforación de un pozo petrolífero cerca de Oil Creek, en Pennsylvania (Estados Unidos), llevada a cabo por Edwin L. Drake, el Coronel, en 1859. Drake, contratado por el industrial estadounidense George H. Bissell –que también proporcionó a Sillimar muestras de rocas petrolíferas para su informe–, perforó en busca del supuesto “depósito matriz”, del que parece ser surgían las filtraciones de petróleo de Pennsylvania occidental. El depósito encontrado por Drake era poco profundo (21.2 m) y el petróleo era de tipo parafínico, muy fluido y fácil de destilar. El éxito de Drake marcó el comienzo del rápido crecimiento de la moderna industria petrolera. La comunidad científica no tardó en prestar atención al petróleo, y se desarrollaron hipótesis coherentes para explicar su formación, su movimiento ascendente y su confinamiento en depósitos. Con la invención del

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automóvil y las necesidades energéticas surgidas en la Primera Guerra Mundial, la industria del petróleo se convirtió en uno de los cimientos de la sociedad industrial. Para encontrar petróleo bajo tierra, los geólogos deben buscar una cuenca sedimentaria con esquistos ricos en materia orgánica, que lleven enterrados el suficiente tiempo para que se haya formado petróleo (desde decenas hasta cientos de millones de años). Además, el petróleo tiene que haber ascendido hasta depósitos capaces de contener grandes cantidades de líquido. La existencia de petróleo crudo en la corteza terrestre se ve limitada por estas condiciones. Sin embargo, los geólogos y geofísicos especializados en petróleo disponen de numerosos medios para identificar zonas propicias para la perforación. Por ejemplo, la confección de mapas de superficie de los afloramientos de lechos sedimentarios permite interpretar las características geológicas del subsuelo, y esta información puede verse complementada por datos obtenidos perforando la corteza y extrayendo testigos o muestras de las capas rocosas. Por otra parte, las técnicas de prospección sísmica –que estudian de forma cada vez más precisa la reflexión y refracción de las ondas de sonido propagadas a través de la tierra– revelan detalles de la estructura e interrelación de las distintas capas subterráneas. Pero, en último término, la única forma de demostrar la existencia de petróleo en el subsuelo es perforando un pozo. De hecho, casi todas las zonas petrolíferas del mundo fueron identificadas en un principio por la presencia de filtraciones superficiales, y la mayoría de los yacimientos fueron descubiertos por prospectores particulares que se basaban más en la intuición que en la ciencia. Un campo petrolífero puede incluir más de un yacimiento, es decir, más de una acumulación continua y delimitada de petróleo. De hecho, puede haber varios depósitos apilados uno encima de otro, aislados por capas intermedias de esquistos y rocas impermeables. El tamaño de esos depósitos varía desde pocas decenas de hectáreas hasta decenas de kilómetros cuadrados, y su espesor desde unos pocos metros hasta varios cientos o incluso más. La mayor parte del petróleo descubierto y explotado en el mundo se encuentra en unos pocos yacimientos grandes.

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Extracción y refinación del petróleo

La extracción, producción o explotación del petróleo se hace de acuerdo con las características propias de cada yacimiento. Para poner un pozo a producir se baja una especie de cañón y se perfora la tubería de revestimiento a la altura de las formaciones donde se encuentra el yacimiento. El petróleo fluye por esos orificios hacia el pozo y se extrae mediante una tubería de menor diámetro, conocida como tubing o tubería de producción. Si el yacimiento tiene energía propia, generada por la presión subterránea y por los elementos que acompañan al petróleo (por ejemplo gas y agua), éste saldrá por sí solo. En este caso se instala en la cabeza del pozo un equipo llamado “árbol de navidad”, que consta de un conjunto de válvulas para regular el paso del petróleo. Si no existe esa presión, se emplean otros métodos de extracción. El más común ha sido el “balancín” o “machín”, el cual, mediante un permanente balanceo, acciona una bomba en el fondo del pozo que succiona el petróleo hacia la superficie. El petróleo extraído generalmente viene acompañado de sedimentos, agua y gas natural, por lo que deben construirse previamente las facilidades de producción, separación y almacenamiento. Una vez separado de esos elementos, el petróleo se envía a los tanques de almacenamiento y a los oleoductos que lo transportarán hacia las refinerías o hacia los puertos de exportación. La torre de perforación rotatoria (véase figura 8) emplea una serie de tuberías giratorias, llamadas cadenas de perforación, para acceder a un yacimiento de petróleo. La cadena está sostenida por una torre, y el banco giratorio de la base la hace girar. Un fluido semejante al fango, impulsado por una bomba, retira los detritos de perforación a medida que el taladro penetra en la roca. Los yacimientos de petróleo se forman como resultado de una presión intensa sobre

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capas de organismos acuáticos y terrestres muertos, mezclados con arena o limo. El yacimiento mostrado está atrapado entre una capa de roca no porosa y un domo salinífero. Como no tienen espacio para expandirse, el gas y el petróleo crudo están bajo una gran presión, y tienden a brotar de forma violenta por el agujero perforado.

Depósito

Torre de perforación Tuberia de fangos Motores

Detritos de sondeo Bomba de fangos Detritos Fluido circulante

Banco giratorio

Dispositivos antiexplosión

Domo salinífero Gas natural

Caliza

Revestimiento Cabeza perforadora

Yacimiento de petróleo

Figura 8. Torre de perforación de petróleo. El gas natural asociado que acompaña al petróleo se envía a plantas de tratamiento para aprovecharlo en el mismo campo y/o despacharlo como “gas seco” hacia los centros de consumo a través de gasoductos. En el caso de yacimientos que contienen únicamente gas natural, se instalan los equipos requeridos para tratarlo (proceso de secado, mantenimiento de una presión alta) y enviarlo a los centros de consumo. A pesar de los avances alcanzados en las técnicas de producción, nunca se logra sacar todo el petróleo que se encuentra (in situ) en un yacimiento. En el mejor de los casos se extrae el 50 o 60 por ciento.

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Extracción y refinación del petróleo

Por tal razón, existen métodos de “recobro mejorado” para lograr la mayor extracción posible de petróleo en pozos sin presión natural o en declinación, tales como la inyección de gas, de agua o de vapor a través del mismo pozo productor o por intermedio de pozos inyectores paralelos a éste. Perforación de los pozos La única manera de saber realmente si hay petróleo en el sitio donde la investigación geológica propone que se podría localizar un depósito de hidrocarburos, es mediante la perforación de un hueco o pozo. En Colombia la profundidad de un pozo puede estar normalmente entre 2 000 y 25 000 pies, dependiendo de la región y de la profundidad a la cual se encuentre la estructura geológica o formación seleccionada con posibilidades de contener petróleo. El primer pozo que se perfora en un área geológicamente inexplorada se denomina “pozo exploratorio” y en el lenguaje petrolero se clasifica “A-3”. De acuerdo con la profundidad proyectada del pozo, las formaciones que se van a atravesar y las condiciones propias del subsuelo, se selecciona el equipo de perforación más indicado. Equipo de perforación Los principales elementos que conforman un equipo de perforación, y sus funciones, son los siguientes: • • •

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Torre de perforación o taladro. Es una estructura metálica en la que se concentra prácticamente todo el trabajo de perforación. Tubería o "sarta" de perforación. Son los tubos de acero que se van uniendo a medida que avanza la perforación. Brocas. Son las que perforan el subsuelo y permiten la apertura del pozo.

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• •

Malacate. Es la unidad que enrolla y desenrolla el cable de acero con el cual se baja y se levanta la "sarta" de perforación y soporta el peso de la misma. Sistema de lodos. Es el que prepara, almacena, bombea, inyecta y circula permanentemente un lodo de perforación que cumple varios objetivos: lubrica la broca, sostiene las paredes del pozo y saca a la superficie el material sólido que se va perforando. Sistema de cementación. Es el que prepara e inyecta un cemento especial con el cual se pegan a las paredes del pozo tubos de acero que componen el revestimiento del mismo. Motores. Es el conjunto de unidades que imprimen la fuerza motriz que requiere todo el proceso de perforación.

El tiempo de perforación de un pozo dependerá de la profundidad programada y las condiciones geológicas del subsuelo. En promedio se estima entre dos y seis meses. La perforación se realiza por etapas, de tal manera que el tamaño del pozo en la parte superior es ancho y en las parte inferior cada vez más angosto. Esto le da consistencia y evita derrumbes, por lo tanto se van utilizando brocas y tubería de menor tamaño en cada sección. Así, por ejemplo, un pozo que en superficie tiene un diámetro de 26 pulgadas, en el fondo puede tener apenas 8.5 pulgadas. Durante la perforación es fundamental la circulación permanente de un “lodo de perforación”, el cual da consistencia a las paredes del pozo, enfría la broca y saca a la superficie el material triturado. Ese lodo se inyecta por entre la tubería y la broca y asciende por el espacio anular que hay entre la tubería y las paredes del hueco. El material que saca sirve para tomar muestras y saber qué capa rocosa se está atravesando y si hay indicios de hidrocarburos. Durante la perforación también se toman registros eléctricos que ayudan a conocer los tipos de formación y las características físicas de las rocas, tales como densidad, porosidad, contenidos de agua, de petróleo y de gas natural.

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Igualmente se extraen pequeños bloques de roca denominados “corazones”, éstos se analizan en laboratorios para obtener un mayor conocimiento de las capas que se están perforando. Para proteger el pozo de derrumbes, filtraciones o cualquier otro problema propio de la perforación, se pegan a las paredes del hueco, por etapas, tubos de revestimiento con un cemento especial que se inyecta a través de la misma tubería y se desplaza en ascenso por el espacio anular, donde se solidifica. La perforación debe llegar y atravesar las formaciones donde se supone se encuentra el petróleo. El último tramo de la tubería de revestimiento se llama “liner de producción” y se fija con cemento al fondo del pozo. Al finalizar la perforación el pozo queda literalmente entubado (revestido) desde la superficie hasta el fondo, lo que garantiza su consistencia y facilita posteriormente la extracción del petróleo en la etapa de producción. El común de la gente tiene la idea de que el petróleo brota a chorros cuando se descubre, como ocurría en los inicios de la industria petrolera. Hoy no es así. Para evitarlo, desde que comienza la perforación se instala en la boca del pozo un conjunto de pesados equipos con diversas válvulas que se denominan “preventoras”. Desde el momento en que se inicia la investigación geológica hasta la conclusión del pozo exploratorio, pueden transcurrir de uno a cinco años. La perforación se adelanta generalmente en medio de las más diversas condiciones climáticas y de topografía: zonas selváticas, desiertos, áreas inundables o en el mar. Cuando se descubre el petróleo, alrededor del pozo exploratorio se perforan otros pozos, llamados de “avanzada”, con el fin de delimitar la extensión del yacimiento y calcular el volumen de hidrocarburo que pueda contener, así como la calidad del mismo. La perforación en el subsuelo marino sigue en términos generales los mismos lineamientos, pero se efectúa desde enormes plataformas ancladas al lecho marino o que flotan y se sostienen en un mismo lugar. Son verdaderos com-

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plejos que disponen de todos los elementos y equipo necesarios para el trabajo petrolero. En la exploración petrolera los resultados no siempre son positivos. En la mayoría de las veces los pozos resultan secos o productores de agua. En cambio, los costos son elevados, lo que hace de esta actividad una inversión de alto riesgo. Recuperación mejorada de petróleo Ya se ha descrito el ciclo de producción primaria por expansión del gas disuelto, sin añadir ninguna energía al yacimiento, salvo la requerida para elevar el líquido en los pozos de producción. Sin embargo, cuando la producción primaria se acerca a su límite económico, es posible que sólo se haya extraído un pequeño porcentaje del crudo almacenado, que en ningún caso supera el 25 por ciento. Por ello, la industria petrolera ha desarrollado sistemas para complementar esta producción primaria, que utiliza fundamentalmente la energía natural del yacimiento. Los sistemas complementarios, conocidos como tecnología de recuperación mejorada de petróleo, pueden aumentar la recuperación de crudo, pero sólo con el coste adicional de suministrar energía externa al depósito. Con estos métodos se ha aumentado la recuperación de crudo hasta alcanzar una media global de 33% del petróleo presente. En la actualidad se emplean dos sistemas complementarios: la inyección de agua y la inyección de vapor. Inyección de agua En un campo petrolífero explotado en su totalidad, los pozos se pueden perforar a una distancia de entre 50 y 500 m, según la naturaleza del yacimiento. Si se bombea agua en uno de cada dos pozos, puede mantenerse o incluso incrementarse la presión del yacimiento en su conjunto. Con ello también se puede aumentar el ritmo de producción de crudo; además, el agua desplaza físicamente al petróleo, por lo que aumenta la eficiencia de recuperación. En

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algunos depósitos con un alto grado de uniformidad y un bajo contenido en arcilla o barro, la inundación con agua puede aumentar la eficiencia de recuperación hasta alcanzar 60% o más del petróleo existente. La inyección de agua se introdujo por primera vez en los campos petrolíferos de Pennsylvania a finales del siglo xix, de forma más o menos accidental, y desde entonces se ha extendido por todo el mundo. Inyección de vapor La inyección de vapor se emplea en depósitos que contienen petróleo muy viscoso. El vapor no sólo desplaza el petróleo, sino que reduce mucho la viscosidad (al aumentar la temperatura del yacimiento), con lo que el crudo fluye más deprisa a una presión dada. Este sistema se ha utilizado mucho en California, Estados Unidos, y Zulia, Venezuela, donde existen grandes depósitos de este tipo de petróleo. También se están realizando experimentos para intentar demostrar la utilidad de esta tecnología en la recuperación de las grandes acumulaciones de petróleo viscoso (betún) que existen a lo largo del río Athabasca, en la provincia de Alberta, en Canadá, y del río Orinoco, en el este de Venezuela. Si estas pruebas tienen éxito, la era del predominio del petróleo podría extenderse varias décadas. Otro método para aumentar la producción de los campos petrolíferos –y uno de los logros más impresionantes de la ingeniería en las últimas décadas– es la construcción y empleo de equipos de perforación sobre el mar como el mostrado en la figura 9. Estos equipos de perforación se instalan, manejan y mantienen en una plataforma situada lejos de la costa, en aguas de una profundidad de hasta varios cientos de metros. La plataforma puede ser flotante o descansar sobre pilotes anclados en el fondo marino, y resiste a las olas, el viento y –en las regiones árticas– los hielos.

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Figura 9. Perforación submarina. Al igual que en los equipos tradicionales, la torre es en esencia un elemento para suspender y hacer girar el tubo de perforación, en cuyo extremo va situada la broca; a medida que ésta va penetrando en la corteza terrestre se van añadiendo tramos adicionales de tubo a la cadena de perforación. La fuerza necesaria para penetrar en el suelo procede del propio peso del tubo de perforación. Para facilitar la eliminación de la roca perforada se hace circular constantemente lodo a través del tubo de perforación, que sale por toberas situadas en la broca y sube a la superficie a través del espacio situado entre el tubo y el pozo (el diámetro de la broca es algo mayor que el del tubo). Con este método se han perforado con éxito pozos con una profundidad de más de 6.4 km desde la superficie del mar. La perforación submarina ha llevado a la explotación de una importante reserva adicional de petróleo.

Figura 10. Torre de perforación marina.

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La plataforma petrolera semisumergida de la figura 10 descansa sobre flotadores y está anclada al fondo. Los pozos marinos producen alrededor de 25% del petróleo extraído en todo el mundo.

2.2. Refinado Las refinerías de petróleo funcionan 24 horas al día para convertir crudo en derivados útiles. El petróleo se separa en varias fracciones empleadas para diferentes fines. Algunas fracciones tienen que someterse a tratamientos térmicos y químicos para convertirlas en productos finales como gasolina o grasas (véase figura 11).

Figura 11. Refinería de petróleo. Una vez extraído el crudo, se trata con productos químicos y calor para eliminar el agua y los elementos sólidos, y se separa el gas natural. A continuación se almacena el petróleo en tanques y se transporta a una refinería en camiones, por tren, en barcos denominados petroleros o superpetroleros, que llegan a transportar hasta 200 000 toneladas de crudo, o a través de un oleoducto. Todos los campos petrolíferos importantes están conectados a grandes oleoductos.

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Depósito

Torre de perforación Tuberia de fangos Motores

Detritos de sondeo Bomba de fangos Detritos Fluido circulante

Banco giratorio

Dispositivos antiexplosión

Domo salinífero Gas natural

Caliza

Revestimiento Cabeza perforadora

Yacimiento de petróleo

Esquema 4. De un pozo de petróleo. La destilación es un proceso fundamental en la industria de refinación del petróleo, pues permite hacer una separación de los hidrocarburos aprovechando sus diferentes puntos de ebullición (temperatura a la cual hierve una sustancia). El primer proceso que aparece en una refinería es la destilación atmosférica y al vacío. El petróleo se separa en fracciones que después de procesamiento adicional, darán origen a los productos principales que se venden en el mercado: el gas lp (utilizado en estufas domésticas), gasolina para los automóviles, turbosina para los aviones jet, diesel para los vehículos pesados y combustóleo para el calentamiento en las operaciones industriales.

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Entrada del crudo

Almacenamiento

O A procesos ulteriores de refinación

Cordenador

Fracciones

Gas

Horno Rehervidor Crudo a torre de destilación

Esquema 5. Torre de destilación primaria y tren de calentamiento de crudo. En el interior de la torre existen dos corrientes que fluyen en direcciones opuestas. Hacia arriba marcha la fase gaseosa, impulsada por el rehervidor de la parte inferior. Hacia abajo cae por gravedad la fase líquida, alimentada por el condensador de la parte superior. En cada plato de la torre el gas y el líquido entran en contacto íntimo. El resultado es que los compuestos más volátiles y ligeros pasan a la fase gaseosa, con lo que continúan su ascenso hacia el plato superior, mientras que los menos volátiles se condensan como líquidos y acompañan esta fase hacia el plato inferior. Las características del crudo, así como la cantidad y calidad de productos que se desean obtener determinan los procesos que deben incorporarse a la refinería: •

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La mayor parte de los productos obtenidos en el proceso de destilación primaria se someten a hidrotratamiento para eliminar principalmente azufre y nitrógeno.

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•

• •

Para la generación de las gasolinas se incorporan procesos como reformación catalítica, síntesis de éteres, alquilación e isomerización de pentanos-hexanos, balanceados de tal forma que la mezcla resultante cumpla con la especificación establecida. Los gasóleos de vacío se someten a desintegración catalítica fluida para generar mayor cantidad de destilados ligeros, principalmente gasolina. El residuo de vacío puede también someterse a hidrodesintegración o a coquización para aumentar el rendimiento de destilados, o a procesos de hidrotratamiento o reducción de viscosidad para generar combustóleo.

2.3. PROCESOS QUÍMICOS EN LA INDUSTRIA DE LA REFINACIÓN Los productos tienen que cumplir con una serie de especificaciones que aseguren su comportamiento satisfactorio. Esto se logra con una serie de transformaciones químicas que ocurren en los diversos procesos que constituyen una refinería, donde se modifica la estructura de los hidrocarburos: • •

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Descomposición: Desintegración térmica. Reducción de viscosidad fcc. Hidrodesintegración. Coquización. Gasificación. Rearreglo molecular: Reformación. Isomerización. Hidrodesintegración. Hidrodesulfuración. Hidrog. de diolefina. Deshidrogenación.

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•

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Construcción molecular: Alquilación. Eterificación. Polimerización. Dimerización. Separación física de componentes

La mayoría de los procesos químicos que participan en la industria de refinación del petróleo están basados en el uso de catalizadores, cuyo papel es el permitir que ocurran reacciones que en condiciones normales no serían posibles; funcionan modificando la velocidad de las reacciones, permitiendo así su aplicación industrial en condiciones económicamente atractivas, y además modifican selectivamente las velocidades de varias reacciones posibles, favoreciendo la reacción buscada para asegurar que se logre la mayor conversión de los reactivos y que el rendimiento de los productos deseados sea satisfactorio. La ciencia de la catálisis, ha desarrollado diversos tipos de catalizadores, dividiéndose según el tipo de proceso en que se aplican en: • •

Heterogéneos: el catalizador y los reactivos se encuentran en diferente fase (sólido-gas, sólido-líquido, etcétera). Homogéneos: el catalizador y los reactivos se encuentran en la misma fase (líquido-líquido, gas-gas, etcétera).

Debido a la facilidad que presentan los catalizadores heterogéneos para separarse naturalmente de los productos de reacción, esta rama es la que preferentemente se aplica en la industria petrolera, utilizando materiales diversos para la generación tanto de la especie activa como de los soportes. Los catalizadores desarrollados en el Instituto Mexicano del Petróleo (imp), son aplicados en el esquema de Pemex-Refinación, para la obtención de lpg, combustibles para la industria de la transportación (automóviles, autobuses y aviones) y para generadores de energía (calderas, hornos, termoeléctricas,

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etcétera) permitiendo, conjuntamente con el proceso, alcanzar las especificaciones de dichos combustibles para su adecuado funcionamiento y mínimo impacto ecológico. Tabla 4. Catalizadores desarrollados en el imp

PROCESO

AGENTE

EJEMPLOS DE APLICACIONES

Destilación

Adición / remoción de calor

Separación del petróleo crudo en sus destilados

Absorción

Solvente

Eliminación de CO2 y H2S de hidrocarburos líquidos y gaseosos

Absorción

Adsorbente

Separación de parafinas normales e isoparafinas

Cristalización

Remoción de calor

Eliminación de parafinas en el proceso de producción de lubricantes

Filtración

Material filtrante

Remoción de sólidos en corrientes de carga y en productos refinados

Agotamiento

Gas de arrastre

Recuperación de hidrocarburos de catalizador recirculado en plantas de filtración

Permeación

Membranas

Recuperación de hidrógeno de corrientes gaseosas residuales

Ciclones

Fuerza inercial

Remoción de finos de catalizador en el proceso de filtración

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Destilación básica La herramienta básica de refinado es la unidad de destilación. El petróleo crudo empieza a vaporizarse a una temperatura algo menor que la necesaria para hervir el agua. Los hidrocarburos con menor masa molecular son los que se vaporizan a temperaturas más bajas, y a medida que aumenta la temperatura se van evaporando las moléculas más grandes. El primer material destilado a partir del crudo es la fracción de gasolina, seguida por la nafta y finalmente el queroseno. En las antiguas destilerías, el residuo que quedaba en la caldera se trataba con ácido sulfúrico y a continuación se destilaba con vapor de agua. Las zonas superiores del aparato de destilación proporcionaban lubricantes y aceites pesados, mientras que las zonas inferiores suministraban ceras y asfalto. A finales del siglo xix, las fracciones de gasolina y nafta se consideraban un estorbo porque no existía una gran necesidad de las mismas; la demanda de queroseno también comenzó a disminuir al crecer la producción de electricidad y el empleo de luz eléctrica, sin embargo, la introducción del automóvil hizo que se disparara la demanda de gasolina, con el consiguiente aumento de la necesidad de crudo.

Figura 12. Proceso de refinado del petróleo.

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La primera etapa en el refinado del petróleo crudo mostrado en la figura 12; consiste en separarlo en partes, o fracciones, según la masa molecular. El crudo se calienta en una caldera y se hace pasar a la columna de fraccionamiento, en la que la temperatura disminuye con la altura. Las fracciones con mayor masa molecular (empleadas para producir por ejemplo aceites lubricantes y ceras) sólo pueden existir como vapor en la parte inferior de la columna, donde se extraen. Las fracciones más ligeras (que darán lugar por ejemplo a combustible para aviones y gasolina) suben más arriba y son extraídas allí. Todas las fracciones se someten a complejos tratamientos posteriores para convertirlas en los productos finales deseados. Craqueo térmico El proceso de craqueo térmico, o pirólisis a presión, se desarrolló en un esfuerzo por aumentar el rendimiento de la destilación. En este proceso, las partes más pesadas del crudo se calientan a altas temperaturas bajo presión. Esto divide (craquea) las moléculas grandes de hidrocarburos en moléculas más pequeñas, lo que aumenta la cantidad de gasolina –compuesta por este tipo de moléculas– producida a partir de un barril de crudo. No obstante, la eficiencia del proceso era limitada porque, debido a las elevadas temperaturas y presiones, se depositaba una gran cantidad de coque (combustible sólido y poroso) en los reactores. Esto, a su vez, exigía emplear temperaturas y presiones aún más altas para craquear el crudo. Más tarde se inventó un proceso en el que se recirculaban los fluidos; el proceso funcionaba durante un tiempo mucho mayor con una acumulación de coque bastante menor. Muchos refinadores adoptaron este proceso de pirólisis a presión. Alquilación y craqueo catalítico En la década de 1930 se introdujeron otros dos procesos básicos, la alquilación y el craqueo catalítico, que aumentaron adicionalmente la gasolina producida a partir de un barril de crudo. En la alquilación, las moléculas pequeñas producidas por craqueo térmico se recombinan en presencia de un catalizador. Esto produce moléculas ramificadas en la zona de ebullición de la gasolina con mejores

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propiedades (por ejemplo, mayores índices de octano) como combustible de motores de alta potencia, como los empleados en los aviones comerciales actuales. En el proceso de craqueo catalítico, el crudo se divide en presencia de un catalizador finamente dividido. Esto permite la producción de muchos hidrocarburos diferentes que luego pueden recombinarse mediante alquilación, isomerización o reformación catalítica para fabricar productos químicos y combustibles de elevado octanaje para motores especializados. La fabricación de estos productos ha dado origen a la gigantesca industria petroquímica, que produce alcoholes, detergentes, caucho sintético, glicerina, fertilizantes, azufre, disolventes y materias primas para fabricar medicinas, nailon, plásticos, pinturas, poliésteres, aditivos y complementos alimentarios, explosivos, tintes y materiales aislantes. Derivados y usos del petróleo Los siguientes son los diferentes productos derivados del petróleo y su utilización: • • • • • • • •

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Gasolina motor corriente y extra. Para consumo en los vehículos automotores de combustión interna, entre otros usos. Turbo combustible o turbosina. Gasolina para aviones jet, también conocida como Jet-A. Gasolina de aviación. Para uso en aviones con motores de combustión interna. acpm o diesel. De uso común en camiones y buses. Queroseno. Se utiliza en estufas domésticas y en equipos industriales. Es el que comúnmente se llama "petróleo". Cocinol. Especie de gasolina para consumos domésticos. Su producción es mínima. Gas propano o glp. Se utiliza como combustible doméstico e industrial. Bencina industrial. Se usa como materia prima para la fabricación de disolventes alifáticos o como combustible doméstico.

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• •

• • • • • •

Combustóleo o fuel oil. Es un combustible pesado para hornos y calderas industriales. Disolventes alifáticos. Sirven para la extracción de aceites, pinturas, pegantes y adhesivos; para la producción de thinner, gas para quemadores industriales, elaboración de tintas, formulación y fabricación de productos agrícolas, de caucho, ceras y betunes, y también para limpieza en general. Asfaltos. Se utilizan para la producción de asfalto y como material sellante en la industria de la construcción. Bases lubricantes. Es la materia prima para la producción de los aceites lubricantes. Ceras parafínicas. Es la materia prima para la producción de velas y similares, ceras para pisos, fósforos, papel parafinado, vaselinas, etcétera. Polietileno. Materia prima para la industria del plástico en general. Alquitrán aromático (arotar). Materia prima para la elaboración de negro de humo que, a su vez, se usa en la industria de llantas. También es un diluyente. Acido nafténico. Sirve para preparar sales metálicas tales como naftenatos de calcio, cobre, zinc, plomo, cobalto, etcétera, que se aplican en la industria de pinturas, resinas, poliéster, detergentes, tensoactivos y fungicidas. Benceno. Sirve para fabricar ciclohexano. Ciclohexano. Es la materia prima para producir caprolactama y ácido adípico con destino al nylon. Tolueno. Se usa como disolvente en la fabricación de pinturas, resinas, adhesivos, pegantes, thinner y tintas, y como materia prima del benceno. Xilenos mezclados. Se utilizan en la industria de pinturas, de insecticidas y de thinner. Ortoxileno. Es la materia prima para la producción de anhídrico ftálico. Alquilbenceno. Se usa en la industria de todo tipo de detergentes, para elaborar plaguicidas, ácidos sulfónicos y en la industria de curtientes.

El azufre que sale de las refinerías sirve para la vulcanización del caucho, fabricación de algunos tipos de acero y preparación de ácido sulfúrico, entre otros

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usos. En Colombia se extrae un petróleo pesado que se llama Crudo Castilla, el cual se utiliza para la producción de asfaltos y/o para mejoramiento directo de carreteras, así como para consumos en hornos y calderas. Gas natural El gas natural que se obtiene principalmente en baterías de separación está constituido por metano con proporciones variables de otros hidrocarburos (etano, propano, butanos, pentanos y gasolina natural) y de contaminantes diversos. Representa aproximadamente 47% de los combustibles utilizados en el país y 72% de nuestra petroquímica se deriva del metano y etano contenido en el gas, de ahí la importancia de este recurso como energético y como petroquímico. El procesamiento de gas natural mostrado en la figura 13 consiste principalmente en: •

•

• •

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La eliminación de compuestos ácidos (H2S y CO2) mediante el uso de tecnologías que se basan en sistemas de absorción-agotamiento utilizando un solvente selectivo. El gas alimentado se denomina “amargo”, el producto “gas dulce” y el proceso se conoce generalmente como “endulzamiento”. La recuperación de etano e hidrocarburos licuables mediante procesos criogénicos (uso de bajas temperaturas para la generación de un líquido separable por destilación fraccionada) previo proceso de deshidratación para evitar la formación de sólidos. Recuperación del azufre de los gases ácidos que se generan durante el proceso de endulzamiento. Fraccionamiento de los hidrocarburos líquidos recuperados, obteniendo corrientes ricas en etano, propano, butanos y gasolina; en ocasiones también resulta conveniente separar el isobutano del n-butano para usos muy específicos.

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Figura 13. Procesamiento de gas natural.

Figura 14. Transporte del petr贸leo.

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Las tuberías transportan petróleo desde el mayor campo petrolífero en Ghawar de Arabia Saudita y otros, al puerto de Ra’s Tannūrah, donde se refinan medio millón de barriles diariamente. Esta enorme reserva de petróleo ha hecho pasar a Arabia Saudita de una economía agrícola de subsistencia a la de una rica y moderna nación. En el mundo del petróleo los oleoductos y los buques tanqueros son los medios por excelencia para el transporte del crudo. El paso inmediato al descubrimiento y explotación de un yacimiento es su traslado hacia los centros de refinación o a los puertos de embarque con destino a la exportación. Para ello se construye un oleoducto, trabajo que consiste en unir tubos de acero a lo largo de un trayecto determinado, desde el campo productor hasta el punto de refinación y/o de embarque. La capacidad de transporte de los oleoductos varía y depende del tamaño de la tubería. Es decir, entre más grande sea el diámetro, mayor la capacidad. En Colombia hay oleoductos desde 6 hasta 36 pulgadas de diámetro. Estas líneas de acero pueden ir sobre la superficie o bajo tierra y atraviesan la más variada topografía. En Colombia generalmente van enterradas a 1.50/2.0 metros de profundidad. En la parte inicial del oleoducto una “estación de bombeo” impulsa el petróleo y, dependiendo de la topografía por donde éste pase, se colocan estratégicamente otras estaciones para que le permitan superar sitios de gran altura, como las cordilleras en Colombia. Los oleoductos disponen también de válvulas que permiten controlar el paso del petróleo y atender oportunamente situaciones de emergencia, como las que periódicamente ocurren en Colombia por efecto de las voladuras.

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El gas natural se transporta en idénticas circunstancias, pero en este caso la tubería se denomina gasoducto. Hay ductos similares que cumplen funciones específicas: poliductos para gasolinas, y otros derivados; propanoductos para gas propano, combustoleoductos para combustóleo, etcétera. Los buque-tanques son a su vez enormes barcos dotados de compartimientos y sistemas especialmente diseñados para el transporte de petróleo crudo, gas, gasolina o cualquier otro derivado. Son el medio de transporte más utilizado para el comercio mundial del petróleo. La capacidad de estas naves varía según el tamaño de las mismas, de acuerdo con el servicio y la ruta que cubran. Algunas pueden transportar cientos de miles de barriles e incluso millones. En Colombia Ecopetrol utilizó para sus exportaciones el fsu Coveñas, un tanquero que almacenaba 2 millones de barriles. Petroquímica Del petróleo se obtienen determinados compuestos que son la base de diversas cadenas productivas que derivan en una amplia gama de productos denominados petroquímicos que se utilizan en las industrias de fertilizantes, plásticos, alimenticia, farmacéutica, química y textil, entre otras. Las principales cadenas petroquímicas son las del gas natural, las olefinas ligeras (etileno, propileno, butenos) y la de los aromáticos. A partir del gas natural se produce el gas de síntesis que permite la producción a gran escala de hidrógeno, haciendo posible la producción posterior de amoníaco por su reacción con nitrógeno, y de metanol, materia prima en la producción de metil-terbutil-éter, entre otros compuestos. Del etileno se producen un gran número de derivados, como las diferentes clases de polietileno, cloruro de vinilo, compuestos clorados, óxidos de etileno,

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monómeros de estireno entre otros que tienen aplicación en plásticos, recubrimientos, moldes, etcétera. (Véase figura 15).

Figura 15. Principales productos petroquímicos que se obtienen a partir del etileno. (Tomado de M. Stephenson, Introducción a los procesos químicos industriales, cecsa, México, 1980). Del propileno se producen compuestos como alcohol isopropílico, polipropileno y acrilonitrilo, que tienen gran aplicación en la industria de solventes, pinturas y fibras sintéticas. Por deshidrogenación de butenos, o como subproducto del proceso de fabricación de etileno se obtiene el 1.3-butadieno que es una materia prima fundamental en la industria de los elastómeros, para la fabricación de llantas, sellos, etcétera. Una cadena fundamental en la industria petroquímica se basa en los aromáticos (benceno, tolueno y xilenos). El benceno es la base de producción de ciclohexano y de la industria del nylon; así como del cumeno para la producción

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industrial de acetona y fenol. Los xilenos son el inicio de diversas cadenas petroquímicas, principalmente las de las fibras sintéticas Ingeniería del petróleo Los conocimientos y técnicas empleadas por los ingenieros de prospección y refinado proceden de casi todos los campos de la ciencia y la ingeniería. Por ejemplo, en los equipos de prospección hay geólogos especializados en la confección de mapas de superficie, que tratan de reconstruir la configuración de los diversos estratos sedimentarios del subsuelo, lo que puede proporcionar claves sobre la presencia de depósitos de petróleo. Después, los especialistas en el subsuelo estudian las muestras de las perforaciones e interpretan los datos sobre formaciones subterráneas transmitidos a sensores situados en la superficie desde dispositivos de sondeo eléctricos, acústicos y nucleares introducidos en el pozo de prospección mediante un cable. Los sismólogos interpretan las complejas señales acústicas que llegan a la superficie después de propagarse a través de la corteza terrestre. Los geoquímicos estudian la transformación de la materia orgánica y los métodos para detectar y predecir la existencia de dicha materia en los estratos subterráneos. Por su parte, los físicos, químicos, biólogos y matemáticos se encargan de la investigación básica y del desarrollo de técnicas de prospección complejas. Los ingenieros especializados son los responsables de la explotación de los yacimientos de petróleo descubiertos. Por lo general, son especialistas en una de las categorías de operaciones de producción: instalaciones de perforación y de superficie, análisis petrofísico y petroquímico del depósito, estimación de las reservas, especificación de las prácticas de explotación óptima y control, y seguimiento de la producción. Muchos de estos especialistas son ingenieros químicos, industriales o eléctricos, o bien físicos, químicos, matemáticos o geólogos. El ingeniero de perforación determina y supervisa el programa concreto para perforar el pozo, el tipo de lodo de inyección empleado, la forma de fijación

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del revestimiento de acero que aísla los estratos productivos de los demás estratos subterráneos, y la forma de exponer los estratos productivos del pozo perforado. Los especialistas en ingeniería de instalaciones especifican y diseñan los equipos de superficie que se deben instalar para la producción, las bombas de los pozos, los sistemas para medir el yacimiento, recoger los fluidos producidos y separar el gas, los tanques de almacenamiento, el sistema de deshidratación para eliminar el agua del petróleo obtenido y las instalaciones para sistemas de recuperación mejorada. Los ingenieros petrofísicos y geológicos, después de interpretar los datos suministrados por el análisis de los testigos o muestras geológicas y por los diferentes dispositivos de sondeo, desarrollan una descripción de la roca del yacimiento y de su permeabilidad, porosidad y continuidad. Después, los ingenieros de depósito desarrollan un plan para determinar el número y localización de los pozos que se perforarán en el depósito, el ritmo de producción adecuado para una recuperación óptima y las necesidades de tecnologías de recuperación complementarias. Estos ingenieros también realizan una estimación de la productividad y las reservas totales del depósito, analizando el tiempo, los costes de explotación y el valor del crudo producido. Por último, los ingenieros de producción supervisan el funcionamiento de los pozos; además, recomiendan y ponen en práctica acciones correctoras como fracturación, acidificación, profundización, ajuste de la proporción entre gas y petróleo o agua y petróleo, o cualquier otra medida que mejore el rendimiento económico del yacimiento. Volumen de producción y reservas El petróleo es quizá la materia prima más útil y versátil de las explotadas. En 1999, el primer país productor era Arabia Saudita, que producía 412 millones de toneladas, 11.9% del total mundial. La producción mundial era de 3.452.2 millones de toneladas, de las cuales, Estados Unidos produjo 10.3%, Rusia 8.8%, Irán 5.1%, México 4.7% y Venezuela 4.6 por ciento.

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Reservas Las reservas mundiales de crudo –la cantidad de petróleo que los expertos saben a ciencia cierta que se puede extraer de forma económica– se estiman en un billón de barriles. Proyecciones Es probable que en los próximos años se realicen descubrimientos adicionales y se desarrollen nuevas tecnologías que permitan aumentar la eficiencia de recuperación de los recursos ya conocidos. En cualquier caso, el suministro de crudo alcanzará hasta las primeras décadas del siglo xxi. Sin embargo, según los expertos, no existen casi perspectivas de que los nuevos descubrimientos e invenciones amplíen la disponibilidad de petróleo barato mucho más allá de ese periodo. Alternativas A la vista de las reservas disponibles y de las pesimistas proyecciones, parece evidente que en el futuro harán falta fuentes de energía alternativas, aunque existen muy pocas opciones si se tienen en cuenta las ingentes necesidades de energía del mundo industrializado. La recuperación comercial de esquistos petrolíferos y la producción de crudo sintético todavía tienen que demostrar su viabilidad, y hay serias dudas sobre la competitividad de los costes de producción y los volúmenes de producción que se pueden lograr con estas nuevas fuentes. Las posibilidades de energía geométrica, la solar y nuclear, son esperanza potencial y el combustible alternativo con reservas probadas, capaz de cubrir las enormes necesidades de energía del mundo actual es el carbón, cuya disponibilidad planetaria está firmemente establecida. El aumento previsto de su empleo llevaría aparejado un aumento del uso de la energía eléctrica basada en el carbón, que se utilizaría para un número cada vez mayor de procesos industriales. Es posible que se pueda regular su uso gracias a la moderna tecnología de ingeniería, con un reducido aumento de los costes de capital y de explotación.

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Sistemas Modernos de Manufactura 3.1. MANUFACTURA ASISTIDA POR COMPUTADORA cam (por sus siglas en inglés) Tecnología 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Máquinas herramientas (control numérico con ordenador). Sistemas de manejo de materiales integrados a la manufactura. Controladores lógicos programables. Sistemas de control centralizados. Sistemas integrados de información. Flujo de producción continuo. Robots. Modelo del producto

Representación electrónica de una pieza o ensamble que incluye datos como: •

Información de diseño, análisis, producción, inspección y administración de manufactura de un producto. 119

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Ingeniería del procesamiento de materiales

Su utilización eficiente da como resultado producción rápida: • • • • • • •

cim.

Manufactura Integrada por Computadora. cad. Diseño asistido por computadora (incluye el modelo, dibujo técnico y presentación). cai. Ingeniería asistida por computadora (análisis de propiedades y elementos finitos). cap. Planeación de la producción asistida por computadora (conversión de datos del diseño a instrucciones de manufactura). cam. Manufactura asistida por computadora (programación del equipo, producción y ensamble). cai2.Inspección asistida por computadora (medición y validación del producto). caad. Administración de datos asistida por computadora (inventarios, adquisición, materiales, contabilidad etcétera).

Automatización industrial es la aplicación de la tecnología electrónica y de la computación a los procesos de fabricación y manejo de materiales en industrias de manufactura. Un sistema se denomina sistema moderno de manufactura cuando en él intervienen complejos sistemas mecánicos, electrónicos y computacionales para la operación y control de las actividades de fabricación (véase figura 16), que sirven para el aumento de la productividad y de la competitividad, ante el alto costo de producción, calidad e inventario, así como por la escasez de mano de obra y por seguridad humana. (véase figura 17).

Figura 16.Computadora cam.

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Sistemas modernos de manofactura

Figura 17. Componentes de un sistema flexible de manufactura. Software • • • • •

Módulos asociados con las diversas funciones requeridas para administrar y operar el sistema de manufactura. Administración de programas (cnc y robots). Tareas relacionadas con el manejo de materiales. Administrar los materiales y herramientas. Capacidad de comunicación en los dos sentidos distribución de instrucciones y entrada de la retroalimentación, además monitorear la información. Manufactura

Es el conjunto de operaciones y actividades correlacionadas que incluyen: diseño del proceso, selección de materiales, planeamiento, producción, inspección, administración y el mercadeo de productos en una industria de bienes.

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Ingeniería del procesamiento de materiales

Producción Es la serie de procesos adoptados para fabricar un producto excluyendo los procesos de diseño del proceso y planeamiento y control de la producción. Procesos de manufactura Es el conjunto de actividades de manufactura ejecutadas en el piso y requeridas para fabricar el producto. Existen procesos tradicionales como torneados, fresados, limados y forjados más modernos como maquinado electroquímico (meq) y (med) maquinados por electro descarga. Ingeniería de manufactura Es la disciplina que envuelve el diseño, operación y control de los procesos de manufactura (planeamiento, calidad, secuenciamiento, control de producción). Es el corazón del diseño, planeamiento, y control de los sistemas de manufactura. Requiere de conocimiento en disciplinas de ingeniería eléctrica, mecánica, materiales, química, industrial y de sistemas. Sistemas cad/cam Cronológicamente, los sistemas cad fueron los primeros en aparecer, luego aparecieron los cam y finalmente se llegó al concepto cim; esto ocurrió así debido a que cada nuevo sistema se basó en el anterior o al menos lo usó como base. Muchos de los sistemas cad/cam en uso hoy en día están diseñados y pensados para automatizar funciones manuales, independientemente de si la función particular que cumplirán será análisis ingeniería, diseño conceptual, dibujo, documentación o la programación de la maquinaria de manufactura e inspección.

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Sistemas modernos de manofactura

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La implementación de sistemas cad/cam es una decisión fundamental que depende de cuánto de la tecnología se necesitará en una empresa/trabajo en particular. Si el trabajo que se realizará es una sola pieza, que a largo plazo sufrirá sólo pequeñas modificaciones, se necesitará un cad simple; en cambio, si se habla de productos con múltiples piezas y con necesidad de intercambiabilidad, estamos hablando de un computador sofisticado y un programa más complicado. Esto significa además que al planificar una inversión en hardware y software debe planificarse fríamente, de tal manera de conocer el ciclo de vida de los equipos y de los programas. Las empresas que implementan este sistema no deben pensar que tendrán sólo un costo inicial y después andará todo sobre ruedas, pues en la práctica, el uso de estos sistemas implica costos y necesidades constantes, fundamentalmente por los apresurados cambios tecnológicos que se producen hoy en día. Sin embargo, la diferencia de costo y potencia entre las plataformas computacionales requeridas para un cad y un cad/cam ya no son tan notorias. Esto se debe a que las computadoras personales ya son suficientes para manejar el software, y los costos de éste o aquel son similares, así como el costo de su puesta en marcha (díganse operadores, cursos, implementación, etcétera). Lamentablemente, en caso de que el software no sea muy compatible o esté pasado de moda, se pierde plata. Por esto la industria computacional ha tendido a una mayor estandarización de sus productos, con el fin también de disminuir costos, así como ha implementado el concepto de “Upgrade”, el cual permite conseguir la última tecnología dando la antigua “en parte de pago”. Las redes computacionales han contribuido enormemente con el desarrollo de los sistemas cad/cam, teniendo la desventaja de perder la privacidad de la información, ya sea porque el sistema de red es muy complejo o porque hay un mayor número de usuarios con acceso directo a él. Se han desarrollado numerosos protocolos con el fin de salvaguardar las comunicaciones entre computadoras algunos de ellos son: ETHERNET, tcp/ip, map/top, ascii, ftp, nfs, y muchos otros. En los periféricos del computador mismo han existido grandes avances también, que han permitido mejorar ostensiblemente la calidad de las imágenes.

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Es así como hoy existen monitores de 4 000 por 4 000 pixeles y millones de colores. También en el área de los escáneres, plotters e impresoras se ha logrado gran éxito, existiendo digitalizadores de imágenes en tres dimensiones, impresoras a color y otros. El término plataforma de software se aplica en este caso a la arquitectura de software básica, incluyendo base de datos, metodología, capacidades gráficas y herramientas geométricas. Con base a esta definición, existen tres clasificaciones básicas de plataformas cad/cam: 2D, 2-½D y 3D. Dentro de estas clasificaciones existen una serie de herramientas para generar y usar variadas librerías de símbolos y partes, así como para agregar distintos niveles de inteligencia. Rodeando estas clasificaciones hay herramientas adicionales para personalizar, acceso, entrada/salida y periféricos. Tras estas clasificaciones hay distintas definiciones de geometría usada para curvas, superficies y sólidos. Es la combinación agregada de todas estas herramientas la que de vida al concepto de plataforma. Herramientas La modelación básica, del ensamblado, el cuidar los detalles, el dibujo y la documentación son las herramientas que componen la plataforma de software en el ambiente cad/cam (Diseño Asistido por Computadora/Manufactura asistida por computadora). En el mundo del cad/cam, el primer foco está apuntado a la geometría. Es, al mismo tiempo, la herramienta con la que el sistema se construye y la primera constante en cualquiera de sus aplicaciones. Muchos sistemas cad/cam disponibles están confinados a la creación de diseños y dibujos a través de los gráficos de un computador. Otros proveen un juego más comprensivo de herramientas y geometría, tal y como lo permite la tecnología actual. Los métodos básicos de modelación usados por estos sistemas son los que definen su precio, capacidad y productividad para el usuario. Por ejemplo: los sistemas de dibujo de dos dimensiones requieren algoritmos matemáticos más

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simples, y producen archivos menores. Los de dos y media dimensiones necesitan procesadores más poderosos, pero proveen información de profundidad, muestran imágenes tridimensionales y generan vistas que aumentan la productividad. En ambos sistemas, sin embargo, los métodos generalmente replican los manuales de diseño. Los sistemas de dibujo de tres dimensiones proveen la más alta productividad, calidad y ganancias en diseño, pero requieren computadores y memorias considerablemente más grandes. Si los productos son sólo dibujos, un sistema de dos dimensiones bastará. Por otro lado, un sistema de dos dimensiones tendrá muy pocas posibilidades de expandirse a un sistema mayor. •

•

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Dos dimensiones (2D): con pocas excepciones, la mayor parte de los sistemas cad/cam comenzaron implementando herramientas geométricas de dos dimensiones. Hoy en día se siguen usando, a pesar de no dar la mejor productividad, ni siquiera en dibujos de sólo dos dimensiones. Un buen sistema de dos dimensiones debe poder dibujar a través de proyecciones, aceptar los formatos internacionales de dibujo, tener alta velocidad, tener librerías, aceptar los formatos internacionales de medidas, tener un buen set de estilos y portes de letras y ser escalable. El sistema puede basarse en vectores o en puntos en el espacio, siendo el primero el más indicado, pues debería ser capaz de detallar despieces de modelos tridimensionales y tener una posibilidad para ampliarse a un sistema 3 dimensiones. Dos y media dimensiones (2-½D), podríamos preguntarnos: ¿qué es media dimensión? En los sistemas cad/cam eso implica que el sistema maneja los datos de profundidad del modelo y ofrece normalmente la posibilidad de mostrar la apariencia tridimensional de él, usando técnicas bidimensionales con representaciones ortográficas. Muchas veces, Los sistemas 2-½D están equipados para diseño y manufactura de productos simples o planchas, y son muy utilizados por compañías cuyos productos consisten más de partes compradas que de partes manufacturadas, en las cuales interfaces, interacciones e interferencias entre partes están dadas más que por calcular. Sin embargo los sistemas 2½D proveen limitadas mejoras en calidad y productividad por un costo ínfimamente superior a los sistemas 2 dimensiones.

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•

Tres dimensiones (3D): la modelación en tres dimensiones es la puerta de entrada a un ambiente cad/cam completo. A pesar de que los sistemas 3D no son necesariamente ocupados para todos los ambientes de diseño, ingeniería y manufactura, muchos de los sistemas tridimensionales de cad/cam pueden replicar las funciones de sistemas 2D y 2-½D si así se requiere. Los sistemas 3D pueden separarse en tres clases: – Wireframe (malla): en el sistema wireframe, el modelo 3D es creado y guardado sólo como una representación geométrica de aristas y puntos dentro del modelo. Los modelos 3D wireframe son transparentes en la realidad y por esta razón requieren un usuario de experiencia y gran conocimiento del modelo antes de entender claramente la representación. Una ventaja de los sistemas 3D es la generación automática de vistas y dibujos de una parte de los modelos. Esto ayuda en calidad, productividad, preparación y manufactura del producto. Sin embargo, el sistema wireframe requiere de un gran esfuerzo para desplegar imágenes limpias del modelo 3D completo. – Superficies: la adición de información de las superficies al modelo 3D resulta en imágenes gráficas mejoradas cuando se traspasa a aplicaciones manufactureras como cnc. La modelación de superficie permite grados variables de precisión en el modelo cad/cam desde muy preciso, en el caso de superficies planeadas o regladas o superficies de revolución, a menores niveles de precisión en superficies esculpidas. – Sólidos: la modelación por sólidos es el último método de modelación geométrica para el ambiente cad/cam. Un factor determinante para automatizar el diseño a través del proceso de manufactura, esta herramienta permite almacenar información precisa sobre piezas dadas. Los modelos sólidos pueden ser divididos en csg (Constructive Solid Geometry) y Brep (Boundary Representation). csg consiste en usar cajas primitivas, como cubos, cilindros, conos, toros, etcétera, sacándoles partes a ellas para crear una imagen sólida del modelo. Los sólidos Brep pueden ser almacenados de dos maneras: con superficies verdaderas y topología del modelo o sólo con superficies ordenadas, de tal manera que cuando necesite calcular algo lo haga, y no lo tenga guardado de gusto como en el primer caso. En resumen, la modelación por sólidos es la mejor

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manera de lograr buenos resultados, tanto en análisis como en dibujo y velocidad, con la sola salvedad de que requiere computadores potentes. Un sistema 3D debería elegirse en la práctica por las siguientes razones: • • • •

Mejoras en calidad del producto y en tolerancias y alineamiento entre partes. Reducción del tiempo de diseño y de potenciales problemas de manufactura. Soporte de automatización mejorada para diseño, análisis, manufactura e inspección. Soporte de 2D cuando se requiera sin restringir futuros métodos o expansiones.

Una de las más importantes compensaciones que se obtiene de los sistemas cad/cam es en el área de chequeo, verificación de diseño y manufactura del producto. Hay distintas maneras de generar modelos de ensamblado en estos sistemas, los cuales son: modelos en modelos, componentes o figuras y ensamblados inteligentes. Todo va en el software y hardware del que se disponga. APLICACIONES La base de cualquier sistema cad/cam es la plataforma de software usada en generar y documentar el modelo de una parte o documento, y es el llamado corazón del sistema. Lo que vendría a ser el alma del sistema son las aplicaciones que se le pueden agregar. Es a través de aplicaciones que las verdaderas eficiencias del cad/cam en términos de ahorro en producción y costos relacionados con el proceso se pueden ver realizadas. Las aplicaciones en el ambiente cad/cam pueden ser separadas en tres tipos principales: función, disciplina e industria. Algunas de ellas se pueden ver en la tabla 5.

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Tabla 5. Aplicaciones en el ambiente cad/cam Función

Disciplina

Industria

Diseño

Estructural

Aeroespacial

Análisis

Mecánica

Automotriz

Documentación

Eléctrica

Electrónica de consumo

Planeación de producción

Electrónica

Otros

Manufactura

Arquitectura

Control de calidad

Civil

Simulación

Otros

Soporte logístico Las funciones son normalmente aquellas operaciones, herramientas o acciones soportadas por la plataforma de software, tales como la geometría wireframe o la modelación de la superficie. Las disciplinas son creadas con la adición de software especializado de aplicación, librerías, interfaces de usuario y herramientas sobre las funciones básicas con el fin de crear diagramas esquemáticos de aplicaciones de wireframes, o aplicaciones de estilo de software de modelación de superficie. Las aplicaciones industriales son creadas con el software específico para disciplinas o industrias, y la adición de librerías y herramientas especiales para cada proceso en particular. La creación y documentación básica de los modelos cad/cam es parte de la plataforma de software, mientras que las aplicaciones son las herramientas usadas para automatizar completamente el proceso de diseño.

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Tabla 6. Creación y documentación de los modelos cad/cam

Arquitectura/Civil

Diseño de componentes electrónicos

Eslabones y Diagramas de cableamecanismos do

Diseño con acero

Tableros de circuitos

Engranajes y poleas

Diseño lógico y esquemático

Diseño de construcción

impresos

Hidráulica y neumática

Cableado y encaminado

Tubos, diseño de plantas

Diseño lsi y

Planchas de metal

Diseño de arneses para cables

Topografía

vlsi

Mecánica

Diseño eléctrico/ electrónico

Diseño de moldes

Sistemas de iluminaCreación de mapas Diseño híbrido ción

Diseño de fundición

Distribución de potencia

Diseño de concretos

Diseño guiado

Superficies y estilo

Diseño para montar y acercar

Planeación de espacio

por ondas

El análisis de ingeniería puede ser dividido en varias áreas, sin embargo, una clasificación más general es: • • •

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Soluciones cerradas: hechas con ecuaciones particulares para ese tipo de problemas. Análisis lógico y de simulación: análisis computacional para comprobar ajuste a la forma y a la función. Elementos finitos y análisis de diferencias finitas, análisis computacional para sistemas particulares, análisis estructural, mecánico y térmico.

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•

Análisis cinemático: virtualmente se puede observar la operación de un componente.

Aquí entra el concepto de ingeniería asistida por computador, Aided Engineering).

cae

(Computer

Como en el caso de las aplicaciones para diseño, el número de aplicaciones para manufactura está creciendo rápidamente. Al dirigir las aplicaciones de manufactura, el proceso se puede dividir en dos categorías: generación y uso. Lo más importante es la generación de datos, y su transmisión está en manos de la correcta implementación del cam. El sistema cad/cam implica que el diseño y la manufactura están estrechamente ligados. La idea es que el cam utilice los datos generados por el cad adecuadamente. El rango y la profundidad de las aplicaciones cam varían hoy grandemente. Ellas abarcan desde herramientas altamente automatizadas, que son predominantemente manejadas a través de gráficos, hasta herramientas basadas en lenguajes como apt, y otros lenguajes para manejar la máquina. Los productos más avanzados permiten el uso e integración de ambos métodos (gráfico y lenguaje) en aplicaciones concurrentes para maximizar la productividad del usuario. Una lista parcial de aplicaciones actuales de manufactura con cad/cam se presenta a continuación: Oxicorte, taladrado, perforado, compresión, maquinado, soldado, colocación y ensamble de piezas, diseño de herramientas, diseño de moldes, doblado de cañerías y tubos, extrusión, estampado y embutido, programación de robots, impresión de tableros de circuitos y recubrimiento de cables. Métodos de implementación y uso El método y la calidad de la implementación del cad/cam en varios ambientes de la industria es un factor crítico en el uso exitoso de la tecnología. Asimismo,

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cad/cam

y las tecnologías de automatización son críticas para el éxito de las corporaciones en la hoy en día tan competitiva economía mundial. Discutiendo la implementación y el uso de cad/cam, una premisa importante debe ser considerada. Los mayores beneficios que se puedan obtener de la tecnología cad/cam serán derivados de mejoras en el proceso de producción como un todo, desde el concepto a la producción, distribución y soporte. Una reducción en el tiempo de salida al mercado y una mejor calidad del producto son importantes para el cliente y, por tanto, para la empresa. Todos los aspectos del proceso cad/cam parten de la concepción básica del producto. Mientras antes se ingrese información al sistema sobre el diseño y la manufactura, más efectivo será el ciclo en general. Algunos factores importantes al implementar el sistema son: • • • • • • •

El diseño inicial es lo más importante, por lo que hay que invertir bastante en él. Desarrollar librerías de partes para componentes estándar. Codificar cada pieza para que sea fácil de encontrar. Usar estándares y normas. No dejar que las decisiones cad/cam de hoy afecten la planeación futura e implementación de nuevas tecnologías. Recordar que la modelación de sólidos usada para diseñar partes con un número mínimo de operaciones llevará probablemente a una pieza más barata debido a procesos de manufactura reducidos. Recordar que programas simples pueden usarse en sistemas cad/cam de alto nivel, pero no viceversa.

Los ingenieros industriales y manufactureros que planean los procesos tienen grandes probabilidades de hacer mejoras en la producción cad/cam futura. El nivel de inteligencia de los productos de aplicación y de las bases de datos ha alcanzado un punto donde los datos y procesos de manufactura son directamente agregados al proceso de diseño. Sin embargo, un punto importante en este proceso es el conocimiento que tenga la empresa de sus propias capacidades,

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pues mientras los sistemas automatizados son capaces de extraer información directamente de las bases de datos, las reglas para los procesos locales deben ser desarrolladas basándose en las herramientas que posee la empresa y su capacidad. Los factores clave a tener en cuenta en la planeación integrada de procesos son la habilidad: • • • •

Del sistema cad/cam para aceptar y guardar información en su base de datos. Para adaptar el sistema a los procesos locales y cambiar de política en cuanto a la administración. Para personalizar la planeación de acuerdo a las capacidades de la planta. Del sistema para producir gráficos del diseño cad/cam y procesos de manufactura con texto e información generada por las herramientas de planeación de procesos de las aplicaciones planificadoras de procesos para soportar los sistemas de control y ubicación, y para poder traspasar información a otras aplicaciones de manufactura integrada por computadoras.

La parte más importante del sistema cad/cam, junto al manejo de datos, es la porción cam. Sin entrar en detalles de alguna aplicación de manufactura en particular, ciertas consideraciones son críticas al implementar uno de estos sistemas: ¿Se puede aplicar un soporte de manufactura automático del producto? ¿Están disponibles los periféricos adecuados para realizar los procesos? ¿Están disponibles los postprocesadores cam para dar soporte a las máquinas nc en uso? ¿Son compatibles los sistemas con las aplicaciones cnc y dnc existentes? Asumiendo que todas las herramientas cad/cam, cae y cim, necesarias para automatizar las operaciones de una compañía, funcionan correctamente es hora de

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analizar los verdaderos logros del trabajo con cad/cam (Diseño Asistido por Computadora/Manufactura Asistida por computadora). Como se puede deducir, existen importantes ventajas en el manejo de datos. Pues de tener principalmente nuestra información en papel se da paso al manejo de la información electrónica. El manejo de datos en el ambiente cad/ cam se refiere a toda la información miscelánea y conocimiento que se tiene del diseño a través del proceso de manufactura, requerido para la producción y el soporte del producto. Esto incluye: • • • • • • • •

Información y conocimiento asociado con la aprobación y control del producto. Administración de la configuración. Control de cambios en la ingeniería. Control de interfaces. Compra de materiales y control de recepción. Órdenes de trabajo. Testeo, inspección y certificación. Documentación del producto.

Al implementar cad/cam en el próximo milenio con el actual paso de la tecnología, dos factores serán críticos: 1. 2.

Seleccionar software cad/cam de calidad y ampliable, y que además cumpla con los estándares actuales de la industria. Seleccionar proveedores de software confiables y perdurables en el tiempo, con el fin de tener soporte en el futuro. Existe un intento importante de estandarización en el manejo de datos, a éste se le llama pdes (Product Data Exchange Standard). Este intento busca definir todos los aspectos del manejo de datos, de modelos, ingenieriles, de manufactura, de materiales, etcétera, con el fin de lograr máxima integración en la modelación de sólidos y el mundo cad/cam del mañana.

Los sistemas de modelación basados en las características, programación y bases de datos orientados al objeto, inteligencia artificial y sistemas expertos se han

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convertido en frases importantes en la discusión del futuro de cad/cam. Son éstas y otras tecnologías las que van a tener mayor apoyo del diseño, ingeniería y manufactura del mañana. La industria cad/cam está en transición de la automatización de funciones manuales a la automatización del proceso. Transferencia de Archivos Es el intercambio de archivos por medio de convertidores los cuales cambian el formato del archivo para así llevarlos a otros programas. Dichos archivos pueden ser obtenidos tanto de paquetes gráficos (publicitarios) como de otros tipos de programas de diseño asistido por computadora. También se mencionan los archivos tipo raster los cuales contienen información no asociada a entidades sino a un mapeo gráfico de los objetos, conformado por una matriz en la cual cada elemento contiene información gráfica. Se mencionan a continuación algunos de los existentes: bmp, gif, jpg, tif, dib, tga etcétera. Existen programas que pueden convertir los archivos raster y los archivos vectoriales mutuamente entre sí, permitiendo a los modernos sistemas visuales, por procesamiento de imágenes, generar representaciones tridimensionales. Ejemplo de formatos A continuación se muestra cómo, a partir de un mismo archivo gráfico, que corresponde a un plano de una pieza, se pueden obtener diferentes formatos de información. El acotado sólo se utiliza para tener una referencia dimensional y de coordenadas. No aparece en la característica del archivo.

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Formato nfl de anviló Partno/’nfl’, 1 Level/1 Font/solid Color/white L1=line/-5,7.5,5,7.5 L2=line/5,7.5,5,-7.5 L3=line/-5,7.5,5,-7.5 C1=circle/center,1.538462,5.192308,Radius, 1.5, Goang,0,endang,360 Fini/ Stop/

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Wincam (manufactura asistida por computadora)

Figura 18. Win cam Características: • • • • • • • • • • •

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Guía del usuario mediante iconos. Ayudas mediante gráficos. Salida de varios tipos de formatos de control. Simulación 3D del proceso de mecanizado. Control directo a la EMCO-pcTurn o pcMill o transmisión directa de datos del programa cn (control numérico) a una máquina herramienta de control numérico por ordenador. Visualización del área de trabajo con herramienta, pieza en bruto, plato, contrapunto y mordaza. Biblioteca de herramientas editable. Editor integrado por cn (control numérico). Interface dxf. Posibilidad de conexión en red. Pantallas de ayuda.

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Configuración mínima de PC 486 SX compatible ibm, 4mb en memoria principal, floppy 3½, disco duro, tarjeta vga, ratón. Windows 3.1 o superior. Un slot de 8 bits disponible para el control de las máquinas EMCO-Personal Computer.

EMCO wincam ha sido especialmente desarrollado para una rápida introducción a la tecnología cnc. Sin conocimientos previos el usuario puede familiarizarse en un periodo muy breve de tiempo con todos los aspectos de la programación cn mediante cad/cam. Una característica especial del wincam es que adicionalmente a las funciones del cad/cam, las máquinas EMCO-pcTurn55 y pcMilll55 pueden ser controladas directamente con un módulo cnc integrado. Además los programas cn generados por el sistema pueden ser transmitidos a máquinas industriales cnc. Ya que el mayor problema para el principiante de cnc –la creación del programa cn específico de cada control– queda solucionado automáticamente por el wincam, el éxito de la aplicación práctica del programa es seguro en pocos minutos. Por tanto el wincam combina la funcionalidad de un sistema profesional cad/cam con las ventajas de un programa específico de formación. La excelente preparación didáctica de todas las aplicaciones, las ayudas gráficas de entrada y la simulación 3D para torneado y fresado facilitan a través de wincam la combinación óptima de la formación de la aplicación práctica. Las posibilidades Después de la creación gráfica de la pieza en pantalla, se genera automáticamente en la parte cam un programa cn, a través de varios ciclos de mecanizado, el cual es procesado al tipo de control deseado (por ejemplo GE-Fanuc Series 0, Sinumerik 8120/820, Emcotronic TM02, DIN 66025, etcétera). En el editor cn integrado sin postprocesador se muestra el programa de control numérico en el formato de control definido.

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El programa cn puede ser ejecutado bien directamente en una máquina EMCO pc o cnc. A través de la interface dxf es posible tomar gráficos de otros sistemas cad (por ejemplo Autocad). Simulación gráfica 3D La simulación gráfica 3D incluida en el wincam muestra una imagen exacta del proceso real de mecanizado el cual lleva a una mejor comprensión de la secuencia del programa y a más seguridad en la creación del mismo. Hemos puesto gran énfasis en su fácil manejo. El wincam guía al usuario a través de todos y cada uno de sus comandos. La ayuda online y el menú de ayudas proveen un soporte en cualquier situación.

3.2. MANUFACTURA INTEGRADA POR COMPUTADORA cim (por sus siglas en inglés) La manufactura integrada por computadora es el lado de ésta que reconoce que los diferentes pasos en el desarrollo de productos manufacturados están interrelacionados y pueden ser ajustados de manera más eficiente y efectiva con el uso de computadoras. A pesar de que cim implica integrar todos los pasos de un proceso de manufactura, en la práctica muchas compañías han logrado grandes beneficios al implementar sistemas cim parciales, es decir, en solo algunas áreas de la empresa. De hecho, se cree que aún no existe ninguna empresa que haya logrado una integración total del sistema. Sin embargo, se sabe con certeza que ese es el próximo paso a seguir (véase tabla 7).

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Tabla 7. Beneficios estratégicos del cim

Beneficio

Descripción

Flexibilidad

Capacidad de responder más rápidamente a cambios en los requerimientos de volumen o composición

Calidad

Resultante de la inspección automática y mayor consistencia en la manufactura

Tiempo perdido

Reducciones importantes resultantes de la eficiencia en la integración de información

Inventarios

Reducción de inventario en proceso y de stock de piezas terminadas, debido a la reducción de pérdidas de tiempo y el acceso oportuno a información precisa

Control gerencial

Reducción de control como resultado de la accesibilidad a la información y la implementación de sistemas computacionales de decisión sobre factores de producción

Espacio físico

Reducciones como resultado de incremento de la eficiencia en la distribución y la integración de operaciones

Opciones

Previene riesgos de obsolescencia, manteniendo la opción de explotar nueva tecnología

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Objetivos del cim Los principales objetivos que se buscan con el cim son: • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

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Especificar el sistema de fabricación flexible a implantar en una industria. Ensamblaje de módulos con diferentes partes y piezas (electrónicos, mecánicos, etcétera). Conocer y usar correctamente distintos componentes mecánicos. Habilidad para poner en marcha sistemas automatizados. Ensamblar y desensamblar componentes mecánicos. Conocer, optimizar e instalar componentes neumáticos (cilindros, válvulas). Leer y desarrollar planos de circuitos neumáticos. Conocer el uso de compresoras y secadores. Conocer el uso de los distintos tipos de sensores (inductivos, capacitivos, ópticos, etcétera). Conocer la estructura y modo de operación de un plc. Programar un plc con diferentes lenguajes de programación. Conocer la interfase entre un plc y el controlador de un robot. Conocer la estructura de un sistema automatizado. Diseñar e implementar sistemas automatizados. Conocer las aplicaciones de sistemas lan, RS-232 bases de campo y comunicación industrial. Conocer el uso de estructuras maestro-esclavo. Conocer el uso de la relación cliente/servidor. Conocer el uso de un sistema de visión (cámara 3-ccd). Programar robots industriales. Conocer el uso de sistemas de ensamblaje automatizados y los diferentes tipos de grippers (dispositivos). Localizar y corregir fallas en un sistema automatizado. Optimizar sistemas automatizados. Conocer y operar máquinas herramientas cnc (torno y fresadora). Programar y simular usando programas de control numérico.

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• • • • • • • • • •

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Diseñar piezas de trabajo usando software de siseño asistido por computadora. Generar programas cnc usando software de manufactura asistida por computadora. Conocer el uso de los sistemas de transporte y su interacción con los sistemas de producción. Mantenimiento de unidades y/o sistemas de fabricación flexible. Balancear líneas de producción. Planeamiento y control de materiales. Administrar y controlar inventario. Toma de tiempos en una línea de producción. Aplicar conceptos de planeación de requerimiento de materiales, justo a tiempo y administración de calidad total. Diseñar diagramas de procesos para distintas líneas de producción. Sistema integrado de manufactura computarizada

Tanto el cim de mesa, el mini cim, y el cim completo emplean técnicas robóticas avanzadas. Estos sistemas de entrenamiento enfatizan los procesos de manufactura con el uso de alta tecnología. Lo mejor de todo, los componentes usados en todos los cim son de grado industrial, capaces de soportar un uso continuo, además ser fáciles de usar. Los conocimientos y experiencias cubren los conceptos básicos de cada componente, y luego su integración como sistema.

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Sistema de manufactura computarizado (cim) de mesa

Figura 19. cim de mesa. El cim de mesa incluye: •

Centro de fresado de control numérico con ordenador.

•

Brazo robótico neumático.

•

Sensores industriales.

•

Controladores lógicos programables (plc).

•

Alimentador neumático de partes.

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Mini sistema de manufactura computarizada (cim)

Figura 20. Sistema mini cim. Este sistema mini (cim) tiene características adicionales no incluidas en el sistema de mesa: •

Visión.

•

Decodificador de código de barras.

•

Almacenaje y dispendio. Automáticos.

•

Faja de transporte.

•

Torno computarizado.

•

Robótica avanzada.

•

Control por software.

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Sistema completo de manufactura computarizada (cim)

Figura 21. Sistema cim completo. El cim completo tiene sistemas adicionales a los otros: •

Visión.

•

Código de barras.

•

Almacenaje y alimentación automática.

•

Banda transportadora.

•

Torno computarizado.

•

Fresa computarizada.

•

Robótica avanzada.

•

Software de control.

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Aspectos de manufactura y producción incluye todas las actividades desde la percepción de la necesidad de un producto; la concepción, el diseño y el desarrollo del producto; también la producción, marketing y soporte del producto en uso. Toda acción envuelta en estas actividades usa datos, ya sean textuales, gráficos o numéricos. Las computadoras (hoy en día la herramienta más importante en la manipulación de datos), ofrecen la posibilidad real de integrar las fragmentadas operaciones de manufactura en un sistema operativo único. Este acercamiento es lo que se denomina manufactura integrada por computador. cim

En el sistema cim existen cinco dimensiones fundamentales: • • • • •

Administración general del negocio. Definición del producto y del proceso. Planificación y control del proceso. Automatización de la fábrica. Administración de las fuentes de información.

Son cada una de estas cinco dimensiones son un compuesto de otros procesos más específicos de manufactura, los cuales han demostrado una afinidad entre ellos. La primera dimensión rodea a las otras cuatro, y la quinta es el corazón del proceso. Respecto de esta última, existen dos aspectos: el intangible, el cual es la información misma, y el tangible, el cual incluye la computadora, dispositivos de comunicación, etcétera. La implementación de este sistema por parte de algunas empresas busca, por un lado, aumentar la productividad y, por otro, mejorar la calidad de los productos. Un reciente estudio aporta información sobre los beneficios que ha traído el cim a empresas que lo han implementado. En la tabla 8 se presentan algunos de los resultados.

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Tabla 8. Beneficios de la implementación de un sistema cim Reducción en costos de diseño

15-30%

Reducción en tiempo perdido

30-60%

Incremento de la calidad del producto

2-5 veces el nivel anterior

Incremento en el aprovechamiento de los ingenieros respecto de la extensión y profundidad de sus análisis

3-35 veces

Incremento de la productividad de las operaciones de producción

40-70%

Incremento de la productividad de las máquinas

2-3 veces

Reducción de trabajo en el proceso

30-60%

Reducción de los costos de personal

5-20%

Diseño del producto El diseño del producto puede realizarse en el computador con diversos sistemas, como son el cad, el cae y el capp (Computer Aided Process Planing). El cad (Computer Aided Design), o diseño asistido por computadora, permite al diseñador crear imágenes de partes, circuitos integrados, ensamblajes y modelos

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de prácticamente todo lo que se le ocurra en una estación gráfica conectada a una computadora. Estas imágenes se transforman en la base de un nuevo diseño, o en la modificación de uno previamente existente. A éstas se le asignan propiedades geométricas, cinéticas, del material entre otras, mejorando así el diseño sobre papel. Logrando una mayor velocidad en el diseño, al existir la posibilidad de corregir, encargándose el computador de recalcular el dibujo. Existen sistemas cad especiales para aplicaciones mecánicas, electrónicas y de arquitectura, los cuales permiten una mejor interrelación con sus respectivos sistemas cae (Computer Aided Engineering). El cae, o ingeniería asistida por computadora, es la tecnología que analiza un diseño y simula su operación para determinar su apego a las condiciones de diseño y sus capacidades. Hoy en día, cae es casi dos tecnologías separadas: una es la aplicada a la mecánica y otra a la electrónica. Ambas realizan extensos análisis respecto de las leyes físicas, así como de los estándares de la industria. El cae mecánico, en particular, incluye un análisis por elementos finitos (finite element analysis) fea, para evaluar las características estructurales de una parte y programas avanzados de cinemática para estudiar los complejos movimientos de algunos mecanismos. El cae electrónico, asimismo, permite verificar los diseños antes de fabricarlos, simular su uso y otros análisis técnicos para evitar perder tiempo y dinero. El capp (Computer Aided Process Planning), o planificación de procesos asistida por computador, es un sistema experto que captura las capacidades de un ambiente manufacturero específico y principios manufactureros ingenieriles, con el fin de crear un plan para la manufactura física de un pieza previamente diseñada. Este plan especifica la maquinaria que se ocupará en la producción de la pieza, la secuencia de operaciones a realizar, las herramientas, velocidades de corte y avances, y cualquier otro dato necesario para llevar la pieza del diseño al producto terminado. Para usar más efectivamente el capp entorno al cim, el diseño debería provenir electrónicamente de un ambiente cad. Debido a que el capp determina cómo una pieza va a ser hecha, aporta en gran medida a la optimización del proceso y a la disminución de los costos, si tiene oportunidad de manejar los procesos de más de un diseño.

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El capp tiene dos tipos básicos: el variante y el generativo. El variante es el más utilizado y desarrolla un plan modificando a partir de otro previamente existente, usando criterios de tecnología de grupos y de clasificación. El generativo incorpora el concepto de inteligencia artificial, usando sus conocimientos sobre las capacidades de la planta. Basado en la descripción de la pieza (geometría y material) y sus especificaciones, el computador elige el método óptimo para producir la pieza y genera automáticamente el plan. Manufactura física La manufactura física de un producto envuelve un número de tecnologías interrelacionadas. Luego de haber usado el cad y el cae para crear y analizar el diseño y usando el capp para organizar el plan y controlar los pasos individuales de manufactura, el conglomerado manufacturero debe ahora controlar el procesamiento de los materiales que serán parte de un producto o una pieza. El proceso productivo es complejo. Los materiales, las herramientas y componentes deben ser llevados a lugares específicos en determinados períodos de tiempo, operaciones que deben ser supervisadas y controladas. Progresos y errores en la línea de producción deben ser reportados, por lo menos, a la administración de manufactura automáticamente. Difiriendo de la etapa de diseño, la manufactura física está relacionada no sólo con software, sino también con hardware; es por esto que el proceso se complica, especialmente si las máquinas no acompañan la modernidad del conjunto. Se han desarrollado nuevos tipos de máquinas, para así lograr mejores resultados. La manufactura física puede ocupar tres tipos de subsistemas, los que se detallan a continuación: •

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Maquinaria para manufactura: incluye máquinas herramientas, sistemas flexibles de manufactura (fms, flexible manufacturing systems), equipos de

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ensamblaje automático, líneas de transferencia y equipos de inspección. Los sistemas flexibles de manufactura son difíciles de diferenciar con los de celdas flexibles. En ambos existen pequeños grupos de máquinas herramientas unidas por equipamiento de manejo de materiales, todo controladas por computadoras bajo el mando de una central, el cual puede procesar piezas en orden aleatorio. La implementación exitosa del concepto de celdas flexibles envuelve mejoras no solo al nivel de integrar físicamente el sistema, sino también al relacionar el flujo de información, lo cual le permite operar eficientemente el equipo que posee. • Maquinaria auxiliar para manufactura: es la maquinaria que mejora la eficiencia de las máquinas herramientas y equipo de ensamble coordinando los movimientos de materiales y la colocación y el desmonte de las piezas en las máquinas, de tal manera que el flujo productivo no se detenga. Entre estas máquinas se pueden destacar los sistemas de almacenamiento automático (as/rs, automated storage/retrieval system), los cuales manejan cargadores para pallets o bins, conociendo la ubicación exacta de cada materia prima y llevándola al lugar donde es requerida, ayudando además en el manejo de inventario; los vehículos guiados automáticamente (agv, automatic guided vehicles), los cuales son pequeños camiones sin conductor que operan bajo control computacional y se guían por cables en el piso o cintas reflectantes en las paredes, y permiten flexibilidad en sus recorridos, al tener contacto con las otras partes del sistema; y los robots, los cuales son una de las tecnologías más versátiles en la tecnología cim, al funcionar como cualquiera de los anteriores, además de estar equipados con equipos que le permiten “ver” e incluso decidir. • Controles para máquinas manufactureras: el control computacional permite a las máquinas manufactureras comunicarse y coordinar sus actividades con otros sistemas basados en computadores dentro del ambiente cim. Existe una gran variedad de tipos de controles, todo depende de la capacidad del microprocesador. Los tres más conocidos son: – cnc (computer numerical control), o control numérico por computador, cuya función básica es controlar la operación de una máquina herramienta a través de una serie de instrucciones codificadas que representan el

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camino que llevará la herramienta, la profundidad de corte, cambio de herramientas, etcétera. Asociados con la operación. El control computacional ha cambiado la tecnología de la manufactura más que ningún otro adelanto por sí solo, pues introdujo el concepto de automatización que hoy manda en la industria. – dnc (distributed numerical control), o control numérico directo, que es un concepto que abarca unir un computadora a varias máquinas cnc con el fin de controlarlas y también recibir información, para así poder manejar de mejor manera la administración de la manufactura. Esta información puede ser conteo de piezas, tiempo de desuso de la máquina o información sobre el control de calidad. – plc (programmable logic controllers), o controlador lógico programable, que son elementos de control bastante importantes en un ambiente de automatización. Los plc son computadores específicamente diseñados para aguantar condiciones adversas de temperatura, suciedad y ruido eléctrico. Están preparados para ser programados como relais de escala lógica, de tal manera que hasta un electricista los pueda programar y mantener. La gran aceptación de estos controladores provocó mejoras en su diseño, agregándoles varias funciones y subrutinas, haciéndolos cada vez más parecidos a los computadoras. Planificación y control del proceso de manufactura Sin importar cuán eficientes sean las operaciones de corte, ensamblaje y movimiento de materiales, mientras no exista una buena coordinación y planificación no existirá real eficiencia. La tecnología cim que mejora la administración de la manufactura son los sistemas mrp II (manufacturing resource planning II) o planeación de insumos de manufactura y, más recientemente, jit (Just In Time) o justo a tiempo. El mrp II ha sido llamado el sistema nervioso central de la empresa manufacturera. Contenidos en estos sistemas se encuentran los módulos de software

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que planean y organizan las operaciones de manufactura, permiten explorar mejores alternativas para la producción y los insumos, monitorean si las operaciones se ajustan al plan previo y permiten proyectar resultados –incluso financieros–. Se dice que ninguno de los sistemas actualmente instalados de cim que tenga el mrp II lo usa a cabalidad, puesto que su capacidad de manejar información es demasiado elevada. La importancia de estos sistemas es obvia; a través de los datos ellos generan, recolectan y administran, estableciendo y manteniendo contactos con todas las locaciones y oficinas en la empresa. La producción jit, relacionada a la anterior, ha hecho que muchas compañías replanteen su estrategia de producción, debido a los grandes beneficios obtenidos tras su implementación. Una de las máximas del jit es la de producir lo que y cuando se necesita, para eso reduce inventarios, particularmente inventarios de productos a medio terminar, y con ello costos. Partes compradas o materias primas son mandadas directamente a la línea de producción, varias veces al día si es necesario. Esta filosofía convierte el inventario en productos tan pronto como sea posible, y así echa por tierra la filosofía de mantener un buen inventario de partes de recambio “en caso de que se ocupen”. Sin embargo, para que este sistema tenga éxito debe existir una estrecha relación con los proveedores, además éstos deben entregar un producto de calidad porque el jit no permite perder tiempo en revisar las partes entrantes. Si los proveedores poseen una tecnología similar se evitan una serie de burocracias al hacer pedidos, pues las órdenes van de computadora a computadora. Si este sistema se aplica bien, puede significar reducciones de hasta 75% en el inventario y lograr así mejoras equivalentes en la calidad del producto. Tecnologías que permiten unir los tres niveles anteriores Anteriormente se ha tratado de describir el concepto cim y como las tecnologías de sus componentes calzan en ese concepto. Ahora se discutirán los avances tecnológicos que están permitiendo que la integración sea realizada. Esta

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tecnología se centra en la computación y las telecomunicaciones, buscando la integración de todas las actividades del negocio. La tecnología computacional es la que integra todas las tecnologías cim, ésta incluye todo el rango de hardware y de software ocupado en el ambiente cim, conteniendo lo necesario para las telecomunicaciones. Existe una jerarquía de control en los ambientes manufactureros, en la cual hay cinco niveles principales que se detallan a continuación: • • • • •

Control de máquinas (plc). Control de celdas. Computador de área. Computador de planta. Computador corporativo.

El nivel más bajo (1) consiste en productos basados en microprocesadores que controlan directamente las máquinas. En el segundo nivel, varias máquinas trabajan en conjunto, y aunque cada una de ellas trabaja con su propio control, existe una computadora central que las maneja. El tercer nivel monitorea operaciones de un área de la planta, por ejemplo, una línea de ensamblado o una línea de soldadura robotizada. La computadora de planta sirve más para funciones administrativas, puesto que a pesar de que la planeación debe hacerse a distintos niveles, siempre existe alguien que los autoriza y divide las labores en la planta. Finalmente, y al tope de la jerarquía de control, encontramos el computador corporativo, dentro del cual reside la base de datos y los programas financieros y administrativos de la empresa. Una de las más importantes funciones de este computador es organizar la base de datos, de tal manera que ella pueda ser fácilmente manejada y guardada. Las comunicaciones entre los sistemas son vitales en un ambiente moderno de manufactura. Una jerarquía de computadores que se comunican entre ellos implica al menos una estandarización en los protocolos de comunicación. Es así como existen los protocolos Manufacturing Automation Protocol y Technical and Office Protocol (map y top) los cuales permiten fluidez en la integración de los

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departamentos. Los protocolos son reglas que gobiernan la interacción entre entidades comunicadas, y deben proveer una serie de servicios: • • • • • •

•

• – – – – – – – – – – –

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Permitir la transmisión de datos entre programas o procesos en la red interna. Tener mecanismos de control entre hardware y software. Aislar a los programadores del resto, cuando éstos lo necesitan. Ser modular, de tal manera que elegir entre protocolos alternativos tenga el mínimo impacto. Permitir comunicación con otras redes. Al ser creado, el map especificó un protocolo funcional de red para la fábrica misma; en cambio, el top lo especificó para el procesamiento de información en ambientes técnicos y de negocios. Sin embargo, ambos protocolos cumplen funciones similares y están normalizados por la iso en conformidad a la referencia de las "siete capas". La implementación de un sistema cim debe verse por el valor de ella como una herramienta estratégica y no como una mera inversión de capital. Para aquellas compañías que eligen cim, los beneficios son reales, y pueden significar la diferencia entre el éxito y el fracaso. Para las empresas que estén evaluando la implementación de cim, existe una lista de opciones que deberían tener claras: Constatar la estrategia y los fines del negocio. Comprometerse con la integración total, no sólo buscar la excelencia en puntos aislados o convenientes. Estudiar la compatibilidad entre los sistemas existentes. Comprometerse a manejar toda la información de manera digital. Estar de acuerdo con las normas y estándares existentes. Tener aptitud para aprender del nuevo hardware y software. Tener aptitud para aprender de la experiencia de otras compañías. Conocer de las tecnologías jit y de grupo. Ajustar los departamentos y las funciones de cada uno para manejar una organización en red. Usar fuentes externas (universidades, asociaciones profesionales y consultores). Identificar potenciales beneficios.

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Para estudiar si se justifica o no instalar un sistema cim, deben considerarse preguntas como: ¿lo están instalando otras empresas del rubro?, ¿podemos ser nosotros los líderes al incorporarlo?, ¿vale la pena hacer esta inversión a corto, mediano o largo plazo, entre otras? En la práctica, el ambiente externo está cambiando constantemente, y muchos de los más importantes cambios son predecibles. Es por esto que un análisis de mediano plazo, díganse 10 años, puede incorporar estimaciones realistas como para analizar la factibilidad de la inversión. A pesar de que los beneficios cualitativos del cim no son cuantificados en las ecuaciones de factibilidad de inversión, se sabe positivamente que cim aporta incuantificables beneficios. Entre los más importantes beneficios del cim se encuentran las mejoras en la productividad, mayor rapidez en la introducción o modificación de productos, y una mejor intercambiabilidad de los trabajos específicos. Algunos de los más importantes beneficios estratégicos del cim están presentados en la tabla 9. Tabla 9. Beneficios estratégicos del cim Beneficio

Descripción

Flexibilidad

Capacidad de responder más rápidamente a cambios en los requerimientos de volumen o composición

Calidad

Resultante de la inspección automática y mayor consistencia en la manufactura continúa

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Tiempo perdido

Reducciones importantes resultantes de la eficiencia en la integración de información

Inventarios

Reducción de inventario en proceso y de stock de piezas terminadas, debido a la reducción de pérdidas de tiempo y el acceso oportuno a información precisa

Control gerencial

Reducción de control como resultado de la accesibilidad a la información y la implementación de sistemas computacionales de decisión sobre factores de producción

Espacio físico

Reducciones como resultado de incremento de la eficiencia en la distribución y la integración de operaciones

Opciones

Previene riesgos de obsolescencia, manteniendo la opción de explotar nueva tecnología

3.3. SISTEMAS DE MANUFACTURA FLEXIBLE Según sea el grado de dependencia del proceso respecto del producto pueden establecerse cuatro tipos principales de sistemas de fabricación: •

Independiente:

El proceso no depende del diseño del producto. Por ejemplo un taller con máquinas herramientas convencionales. •

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Programable:

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El proceso puede adaptarse a una variedad de productos. Máquinas de control numérico. •

Flexibles:

Un proceso con una configuración única puede fabricar una amplia gama de productos. Cadena de montaje. Células de fabricación flexible. •

Dedicados:

El proceso es apto para un único diseño del producto. Máquinas transfer. Los sistemas independientes son los más flexibles y baratos pero también los menos productivos y de mayor costo unitario. Los dedicados son rígidos, muy costosos pero de elevada productividad y menos costo unitario. Con relación a la estandarización y vida media del producto, los sistemas dedicados son adecuados para elementos muy estandarizados y de vida media larga mientras que los independientes son apropiados para productos de vida corta y poco estandarizados. Por lo tanto, un sistema de fabricación debe analizarse cuidadosamente en función de las exigencias que debe cubrir durante su periodo de amortización. En general, un aumento de la flexibilidad significa una pérdida de productividad y un mayor costo unitario; sin embargo, las características del mercado condicionan cada vez más a los sistemas de fabricación flexible. La premisa fundamental debe ser: diseñar un sistema productivo tan rígido como sea posible y tan flexible como sea necesario. La flexibilidad no es un objetivo en sí, sino un medio para conseguir la rentabilidad de la empresa. Por esta razón, detrás del nombre de la fabrica flexible se encuentra no sólo un equipo de producción capaz de alcanzar productividades y costos parecidos a los de los sistemas dedicados, sino también toda una nueva política de racionalización y optimización de la producción que permite, en conjunto, alcanzar

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unos niveles de productividad global muy por encima de la conseguida por métodos convencionales. Según una estadística facilitada por la Society of Manufacturing Engineers, en una fabricación clásica por lotes, trabajando a dos turnos, los materiales se pasan en espera 95% del tiempo de fabrica, bien en almacén o bien en pie de máquina; 5% de estos montados en las máquinas, 70% de tiempo es de preparación. Es decir, solo se trabaja realmente sobre el material 1.5% del tiempo de su permanencia en el taller. Las instalaciones están 50% paradas y arranca viruta sólo 15% de su tiempo disponible. En este estudio se han considerado como disponibles las 24 horas de los siete días de la semana. Estas cifras dan una idea del enorme potencial de mejora que un sistema flexible, basado en máquinas automáticas controladas por los plc, pueden ofrecer en estas empresas en cuanto a mayor utilización de instalaciones, reducción de almacenamientos, disminución de mano de obra; en una palabra, aumento espectacular de su productividad. Pero la incorporación de nuevas tecnologías al proceso productivo es aconsejable efectuarla cuando han alcanzado un suficiente grado de madurez, después de superar la etapa de desarrollo, en general, a cargo de grandes empresas líderes en el campo tecnológico. Referente a las tecnologías de fabricación, disponibles hoy en día, situadas sobre la curva de la S de vida tecnológica, las máquinas convencionales caen ya en la zona de obsolescencia; las máquinas de control numérico se hallan en la zona alta de madurez. Superada la etapa de desarrollo, y en zona de creciente aplicación, encontramos en primer lugar el cnc, –control numérico computarizado próximo ya a la zona de madurez, la célula flexible, el dnc control numérico distribuido con máquinas cnc– y los sistemas de fabricación flexible recién salidos de su etapa de desarrollo. En la zona de estudio y desarrollo se encuentran los sistemas flexibles integrados y los sistemas totalmente automáticos mostrado en la gráfica 1.

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= Fábrica Automática. = Fábrica Integrada por Ordenador. ff = Fábrica Flexible. dnd= Control Numérico Distribuido. cff = Célula de Fabricación Flexible. cnc = Control Numérico con Ordenador. cn = Control Numérico. mc = Máquinas Convencional. fa

cim

Gráfica 1. Desarrollo tecnológico Esto significa que los grandes sistemas flexibles de fabricación están reservados a las grandes empresas no sólo por el volumen de las inversiones necesarias, sino también por el elevado grado de formación, experimentación y desarrollo industrial que requiere su explotación. Afortunadamente para las pequeñas y medianas empresas, dentro de la fabricación flexible se desarrolla cada día más el concepto de modularidad. Es decir, células flexibles de 3 o 4 máquinas para aplicaciones específicas, que después se acoplan entre sí y con un sistema de almacenamiento y transporte automático.

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Estas células flexibles, constituidas por máquinas cnc con alimentación automática de materiales y herramientas, gobernadas por un ordenador, constituyen el núcleo fundamental de la fabricación flexible. Permiten la fabricación automática de una familia de piezas y están dotadas de unos almacenes tampón de piezas y herramientas que les facilitan el funcionamiento sin atención de operarios, al menos durante un turno, en general el turno de noche. La experiencia industrial ya alcanzada con estos sistemas permite esperar el éxito de la implantación de las células flexibles siempre que ésta se efectúe correctamente, es decir, acompañada de modificaciones de organización, métodos y sistemas de trabajo. La tasa de crecimiento de las instalaciones de fabricación flexible es 40% anual y se estima que para el 2020, 80% de la producción mecánica se efectuará en instalaciones flexibles. Sistemas de fabricación flexible En los últimos años el término de fabricación flexible se utiliza ampliamente para designar una nueva tecnología de fabricación. Y como siempre que una palabra se pone de moda, se desarrollan dos tendencias: en una de ellas se utiliza para calificar cualquier cosa que tenga relación, aunque sea lejana, con su significado inicial: todo es flexible, todo ayuda a mejorar la flexibilidad. Y la propaganda de las firmas suministradoras de cualquier elemento de fabricación, la ingeniería, la prensa técnica, conferencias y seminarios, giran en torno a la flexibilidad. Otra tendencia es ampliar el contenido de la palabra de forma que se utiliza para designar una gran variedad de conceptos y aplicaciones. Así, dentro de la técnica de fabricación flexible se encuentran, además de la flexibilidad, técnicas tan diversas como la estandarización, automatización, logística compras, mantenimiento, nuevas tecnologías, etcétera. Por otro lado, las primeras aplicaciones de una nueva tecnología ayudan a formar una idea, a veces desacertada, de la misma. Así ocurre también con la

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fabricación flexible. Las grandes líneas automáticas de mecanización y montaje de las empresas de automoción han configurado, para mucha gente, la idea de que la fabricación flexible es una automatización integral de la fabrica con grandes inversiones, y que por lo tanto esta solo al alcance de las potentes firmas internacionales con grandes series de fabricación. Es una idea totalmente opuesta a la realidad. La fabricación flexible es la tecnología más adecuada para la pequeña y mediana empresa que trabaja por lotes y tiene una gran variedad de producción y su concepto es aplicable a cualquier tipo de proceso productivo, sea mecánico, eléctrico o electrónico, textil, químico, etcétera. La aplicación actual más extendida se lleva a cabo en los talleres de mecanización y montaje, en donde además se alcanza un nivel elevado de complejidad. Pero ¿qué es la fabricación flexible? La literatura técnica nos da varias definiciones muy generales: a) Es un proceso bajo control automático capaz de producir una variedad de productos dentro de una gama determinada. b) Es una tecnología que ayuda a optimizar la fabricación con mejores tiempos de respuesta, menor costo unitario y calidad más alta, mediante unos mejores sistemas de control y gestión. Principales funciones desarrolladas por un sistema de fabricación flexible. • • • • • •

Mecanización automática. Cambio automático de piezas y herramientas. Transporte automático entre máquinas. Identificación de piezas y herramientas Autocorrección de desviaciones. Logística de máquinas, materiales y herramientas.

Otras más detalladas: •

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Es un sistema de fabricación integrado por máquinas e instalaciones técnicas enlazadas entre sí por un sistema común de transporte y control, de forma que existe la posibilidad, dentro de un margen determinado.

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•

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El conjunto de todas estas definiciones, enfocadas desde distintos puntos de vista, ayudan a configurar una idea sobre esta nueva tecnología. Configuración de los sistemas de fabricación flexible

Las líneas específicas flexibles derivadas de las líneas transferibles convencionales tienen una flexibilidad muy limitada. Aceptan variantes en general de un solo tipo de pieza, por ejemplo carters de motor u otro tipo de pieza prismática. En los sistemas de máquinas universales convencionales se dispone ya de una gran flexibilidad. El objetivo de la incorporación de las nuevas tecnologías es el de aumentar la productividad, automatizando todas las funciones del mecanizado sin perder por ello su flexibilidad inicial. Así, instalando en los cnc –máquinas de control numérico por ordenador– más funciones de mecanizado y cambio automático de herramientas y piezas, almacenes tapón a pie de máquina para garantizar un funcionamiento desasistido, es decir sin operarios, durante varias horas, y dotándolos de medios de medición y auto corrección. Las células de fabricación flexible se utilizan para mecanizar totalmente una gran variedad de piezas. La fabricación de lotes medios de productos de características distintas necesitaba hasta hace poco de sistemas de fabricación adecuados. Las máquinas transfer o especiales suponen una inversión demasiado elevada con una amortización que se alarga excesivamente en unas condiciones de entorno que cambian con rapidez. El nivel de incertidumbre en el producto no aconseja la inversión en elementos de fabricación especiales para el mismo. Las máquinas convencionales, por su escasa productividad, proporcionan en general costos unitarios demasiado elevados. El taller flexible tiene por objeto dotar a estas empresas de medios de producción automáticos que permitan una productividad elevada, como si se tratara

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de una gran serie, pero que a la vez sea fácilmente adaptable a los cambios en las características del producto y en los programas de fabricación. Para ello se proyectan e instalan grandes equipos especialmente diseñados para un cliente o una aplicación particular. Varias máquinas cnc y estaciones de inspección automática unidas por un sistema automatizado de manutención y transporte coordinado todo por un sistema informático dedicado, constituyen las líneas de fabricación flexible. Estas instalaciones, de un costo muy elevado, superior a las máquinas transfer, requieren además de una potente infraestructura de soporte y unos conocimientos y experiencia en los campos de control numérico, automatización o informática industrial que sólo están al alcance de las grandes empresas. En un sistema de fabricación flexible pueden considerarse tres niveles de aplicación: 1. 2. 3.

La célula flexible. La línea o grupo flexible. El taller flexible.

La célula flexible está formada por unas pocas máquinas (en ocasiones sólo una) dotadas de un control numérico con dispositivos de cambio de herramientas y piezas, con almacenes tapón para garantizar su autonomía durante varias horas, y un plc que coordina los elementos de mecanizado, manutención y transportes entre las máquinas. Son capaces de mecanizar totalmente o casi totalmente una cierta categoría de piezas, incluyendo fases de control de calidad. Todas las máquinas trabajan con piezas de la misma referencia. En las líneas flexibles varias máquinas de control numérico o células flexibles se relacionan entre sí mediante un sistema de transporte de piezas e identificación de las mismas. En general disponen en línea de almacenes de piezas y herramientas automatizadas. Permiten la entrada al azar de gran diversidad de piezas y el software de control de línea las asigna a la máquina más adecuada. El plc que controla la línea realiza también funciones de planificación y programación de la producción.

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El taller flexible tiene todas las funciones de fabricación incorporadas e integradas dentro de la filosofía de fabricación flexible. Los sistemas de recepción, inspección, almacenaje, transporte, mecanización, verificación, montaje y distribución, centralizadas o distribuidas según proceda, están totalmente automatizados y coordinados por un servidor central a través de los plc satélites de cada función o taller. Así como las células, las líneas flexibles están dimensionadas, en general, para tratar a una familia más o menos amplia de piezas, un taller flexible puede producir todo tipo de pieza que se precise. La sofisticación del sistema, especialmente en lo referente al software necesario, en programas de cómputo, en racionalización y estandarización de producto y medios de fabricación en sistemas de control y de gestión, hace que hoy por hoy el taller flexible esté sólo al alcance de empresas líderes en renovación tecnológica.

Características generales de los sistemas de fabricación flexible En flexibilidad: • • • •

Posibilidad de mecanizar varias piezas de distinta forma, dimensiones y material. Entrada de piezas al azar. Almacenamiento de muchos programas de trabajo. Flexibilidad del software de control y gestión para introducir cambios y nuevos módulos.

En automatización: • • • •

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Del proceso de mecanizado. Del cambio de herramientas. Del cambio de piezas. Del transporte entre máquinas.

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• • • •

De la limpieza de las piezas. De la evacuación de virutas. De la comprobación de cotas y corrección del desgaste de la herramienta. De la identificación de piezas y procesos correspondientes.

En productividad: • • • •

Funcionamiento sin operarios al menos durante un turno de trabajo. Rapidez en los cambios de herramienta y pieza. Tiempos de comprobación cortos. Optimización de las condiciones del mecanizado.

En calidad del producto: • • • • • • – – – –

Inspección de piezas incluida en las fases de mecanizado. Autocorrección de desviaciones. Estabilidad térmica. Rigidez de las máquinas. Precisión de las guías, actuadores y sensores. Control de desgaste de herramientas y utillajes de fijación. En fiabilidad del proceso: Control del desgaste de útiles y herramientas. Control de las condiciones de corte. Control de desviaciones y corrección automática. Mantenimiento preventivo.

Estas especificaciones determinan un equipo con las siguientes características generales: •

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Capacidad de modificar rápidamente los programas de fabricación, tanto en cantidad como en tipo de piezas.

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• • • • • •

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Capacidad de absorber los cambios de diseño y especificación de las piezas. Capacidad de trabajo desatendido en largos periodos de tiempo. Mano de obra-cero. Capacidad de garantizar calidad de cien por ciento. Calidad: defectoscero. Capacidad de trabajo sin almacenamientos intermedios. Política de almacenamiento-cero. Posibilidad de utilización de equipos al 100%. Paro-cero. Mantenimiento preventivo. Averías-cero. Capacidad de entrega inmediata de los pedidos. Plazo-cero.

El entorno empresarial de una fábrica flexible La fabricación flexible es una nueva filosofía de producción cuyo impacto afecta a todas las funciones de la empresa. Posibilita una nueva política y estrategia empresarial que precisa de profundos cambios y ajustes en todos sus ámbitos: cambios de mentalidad, de organización, de procedimientos, de necesidades de mano de obra tanto cualitativa como cuantitativamente. En la estrategia de mercadotecnia la posibilidad de una respuesta rápida de producción le permite: • • • • • •

Truncar el ciclo de vida del producto. Reforzar la innovación. Aumentar la sofisticación del producto. Ampliar la gama en distintos segmentos del mercado. Atender las peticiones de "personalización". Fragmentar el mercado.

La ingeniería de los productos experimenta un importante cambio. Se integra estrechamente con la ingeniería de fabricación o de proceso para asegurar un diseño

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adaptado al máximo a los medios de producción disponibles. El llamado "diseño para fabricalidad" en donde la facilidad de mecanizado, sencillez de montaje, estandarización y reducción del numero de piezas son parámetros básicos del mismo. Por otro lado, la introducción de cambios de diseño se facilita tanto por reducción de costos de utillajes como por la rapidez de su incorporación al producto. Este puede estar sometido a un proceso de actualización continua para mejora de prestaciones, calidad, disminución de costos, incorporación de nuevos materiales y tecnologías. En definitiva, el proyectista puede mantener al día su producto sin los condicionamientos de costo y plazo que implican los sistemas de fabricación convencionales. La estrategia de producción es radicalmente distinta. La nueva tecnología facilita la fabricación bajo pedido en vez de la clásica producción por programa de previsión de ventas o contra el almacén de productos terminados. Los métodos de gestión de justo a tiempo, encuentran en la fabricación flexible el complemento adecuado para su implantación con éxito. La ingeniería del proceso sufre una profunda transformación en sus métodos de trabajo. Además de los técnicos de proceso, deben integrarse al equipo técnicos en automatización y en informática, así como especialistas en mantenimiento de electrónicos, circuitos neumáticos e hidráulicos y sistemas informativos. El diseño del proceso, de herramientas y utillajes, de sistemas de paletización y transporte de programas de monitorización y control, ofrece una panorámica de trabajo muy diferente a la ingeniería del proceso tradicional en estrecha y constante colaboración con diseño y fabricación. En finanzas los sistemas de costos pasan de tener un componente variable muy alto a ser prácticamente fijos y, por lo tanto, muy sensibles al volumen de producción. Los procedimientos de análisis de inversiones y de su amortización experimentan también un importante cambio.

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La producción pasa de una "mano de obra intensiva" a un "capital intensivo". Los resultados de la gestión del mismo repercuten sensiblemente en la cuenta de resultados. En relaciones industriales la incorporación de la fabricación flexible puede ocasionar problemas laborales importantes si no ha sido asumida plenamente por el personal. La drástica reducción de los puestos de trabajo de mano de obra directa junto con las necesidades de formación, reconversión, modificación de estructuras y funciones, contratación en muchos casos de personal experto del exterior en condiciones más favorables que las usuales, son fuentes potenciales de conflictos que sólo una adecuada política de información, formación y adecuación del personal, previa a la instalación del sistema, puede desactivar. Impacto de fabricación flexible en la empresa La fábrica flexible y la mano de obra Si bien el objetivo principal de la fabricación flexible no es la reducción de la mano de obra también es cierto que la automatización que incorpora lleva implícito el concepto de fabricación desatendida y, por tanto, un fuerte impacto sobre la mano de obra que realiza operaciones simples y monótonas. Este impacto lo podemos analizar desde diferentes puntos de vista: • • • •

Evolución del nivel de empleo. Calificación del personal. Condiciones de los puestos de trabajo. Motivación del personal. Evolución del nivel de empleo

Las funciones a desarrollar por el hombre en una fabricación flexible son:

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• • • • •

Dirección del taller con responsabilidad sobre cantidad y calidad, así como plazo de entrega y costo de la producción, sobre el equipo humano adscrito. Mantenimiento de máquinas e instalaciones en todos sus aspectos: mecánico, hidráulico, electrónico e informático. Reposición de herramientas y utillajes. Control de recuperación y afilado de las usadas y acopio de las nuevas. Control del flujo de herramientas. Fijación de las piezas en las paletas de mecanizado. Carga y descarga de materiales en recepción, almacenes o pie de línea. Supervisión del funcionamiento de la instalación y resolución de los imprevistos. Rotura de herramientas, piezas defectuosas, materiales deficientes, averías, etcétera.

Además de estos puestos de trabajo, que son de apoyo al funcionamiento de la instalación, se requieren cubrir funciones de preparación y planificación en las oficinas de ingeniería del proceso, ingeniería industrial y de planificación y control de la producción. Técnicos en mecanización, especialmente en control numérico, en automática, robótica, en electrónica e informática y en tecnologías de planificación y programación de talleres. Si se compara esta relación de funciones y puestos de trabajo con los habituales en una fábrica convencional obtenemos como resultado: – La desaparición prácticamente total de los puestos de trabajo directo en las máquinas. El operario que pone a punto, carga y descarga piezas y herramientas, gobierna la máquina y controla la producción a pie de máquina o grupo de máquinas, ha sido sustituido por un complejo sistema automático. – La disminución de puestos de trabajo indirecto de apoyo a la producción: almaceneros, carretilleros, verificadores, etcétera, en un grado muy variable dependiendo del nivel de automatización de almacenes, transportes e inspección. – El aumento de personal en funciones de mantenimiento, supervisión y vigilancia de los procesos productivos.

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– Un incremento del personal técnico en oficinas de preparación y planificación, especialmente en los periodos de estudio e implantación del sistema. En resumen, una considerable disminución de necesidades de mano de obra para un mismo nivel de producción. Calificación del personal Los nuevos puestos de trabajo creados con la fábrica flexible, respecto a un hipotético nivel medio de calificación de la mano de obra en una fábrica convencional, representan, por un lado, una serie de puestos de baja calificación: carga y descarga, fijación de piezas, vigilancia de máquinas e instalaciones, y otra serie de puestos de elevada calificación técnica, de mantenimiento, en la gestión informática y en tecnologías de punta. Condiciones de los puestos de trabajo La automatización presenta una evidente mejora desde el punto de vista de condiciones ambientales, físicas y sociológicas de los puestos de trabajo. En general, los primeros talleres a automatizar son los correspondientes a trabajos penosos o peligrosos para el hombre. Procesos de soldadura, pintura, carga y descarga de homos, desbarbados, etcétera, están a cargo ya en muchos casos de autómatas o robots. Los esfuerzos físicos en la manipulación de materiales desaparecen totalmente. Los turnos de trabajo en horas no sociales, turnos de noche, festivos, etcétera, son los primeros en quedar desatendidos. Por un lado el sistema ofrece, puestos de rico contenido tecnológico y creativo, pero, por otro, presenta también sus puntos negros: trabajos en solitario de vigilancia y control, tareas muy repetitivas y aburridas de carga y descarga, de fijación de piezas, trabajos sedentarios de horas y horas ante terminales informativas con una exigencia de atención constantes y una sensación de ser esclavo de una máquina.

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Motivación del personal Es evidente, por todo lo expuesto, que la introducción de la fabricación flexible afecta profundamente a la plantilla de una empresa, más en la situación económica-industrial del momento en que las nuevas tecnologías no se introducen para ampliar la capacidad de producción, sino como elemento de supervivencia en un mercado competitivo y supersaturado. Estas crearán, por tanto, problemas de regulación de empleo, en general con disminución de plantilla y dificultades de reconversión y flexibilización de la masa laboral. Por otro lado, la implantación con éxito de la fabricación flexible depende fundamentalmente de la capacidad de integración, motivación y colaboración activa del equipo humano con los nuevos sistemas. ¿Cómo conseguirlo? Las experiencias efectuadas hasta la fecha se presentan a continuación: Destaca en primer lugar que la fabricación desatendida a nivel global, es un objetivo y quizá sea una realidad a largo plazo. Con la tecnología actual sólo se consiguen, dentro de un nivel de rentabilidad industrial, islas de fabricación desatendida dentro del conjunto de la empresa. Conceptos fundamentales La productividad de las fábricas japonesas se basa en estos conceptos fundamentales: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

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Eliminación del gasto. Fabricación como foco. Tecnología de grupos. Calidad en origen (Judoka). Producción Just in time. Carga uniforme. Sistema Kanban. Minimizar tiempos preparación.

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Relaciones humanas. Empleo de por vida sindicatos de empresa. Disposición. Automoción/robótica integración en la dirección. Red de subcontratistas. Círculos de calidad.

Por otro lado, la fábrica flexible no puede implantarse de hoy para mañana, requiere un plazo largo, años de evolución, a partir de unas primeras experiencias en mecanización con control numérico, y el proceso de aplicaciones escalonado, con un nivel de automatización y desatención creciente. Hay tiempo suficiente para llevar a cabo los programas de formación, reconversión y flexibilización necesarios para adaptar parte de la plantilla a los nuevos puestos. En definitiva, la adopción de la fabricación flexible no es un objetivo en sí, si no un medio para conseguir el mantenimiento de la empresa en una competencia internacional que, en su conjunto, ve en la utilización de estas tecnologías la forma más eficaz de obtener niveles de productividad adecuados para mantener sus beneficios. La evolución hacia la fabricación flexible, con todos sus problemas, no es un capricho de la dirección, si no un intento serio por el costo que representa, de actualización de los medios productivos para conseguir los mismos niveles de productividad que la competencia y posibilitar la supervivencia de la empresa. Por el contrario, y según nos revelan recientes estadísticas, la mayoría de la gente cree que deben pararse los procesos de automatización y robotización de la industrial mientras que sólo un porcentaje muy pequeño opina que deben acelerarse. Ante este estado de opinión es más necesaria una política de motivación y participación activa del personal en los planes de implantación de la fábrica flexible para que se integre en el mismo y no se sienta excluido de entrada. Japón es el país en que se inició la fabricación flexible y en donde más desarrollo

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y éxito se han conseguido. Se caracteriza por unas relaciones laborales con una integración empleado-empresa mucho más alta que en Occidente, y además de ello se han desarrollado técnicas específicas para aumentar la integración y participación activa del empleado en la mejora de su trabajo y en la productividad general de la empresa. Red del sistema flexible de manufactura La Network área local (lan´s) es un servicio de comunicación, que permite una comunicación vertical y horizontal. La velocidad de transmisión de la base de datos para entrada y salida es muy rápida, con esto se genera la posibilidad de comunicarse a sistemas remotos de control, conectados en la red. También puede trabajar con multimedia con lo que a los programadores de sistemas remotos se les haría más fácil la programación y reparación si fuera necesario. Con todo lo anterior es posible manejar base de datos de mega bits por segundo. La filosofía de esta red está enfocada a tres áreas: comunicación fiel con el usuario, con las máquinas y con las bases de datos. Como se trabaja en un ambiente multiusuario se pueden establecer prioridades para evitar conflictos en cuanto a la comunicación con dos usuarios que soliciten acceso al mismo tiempo y se puede monitorear el proceso a tiempo real. El usuario puede establecer los parámetros necesarios en cuanto a la producción como: calidad, tipo de materiales a utilizar, monitores constantes del desgaste de la herramienta en un proceso de maquinados y monitorear todo el proceso. Lo anterior permitiría manejar los componentes del producto que deseamos obtener, así como la información respectiva para obtenerlo, es decir mandar juntos estos dos elementos para lograr nuestro propósito. La base física de la red lan es apropiada cuando se quieren comunicar muchas máquinas y en éstas se requiere manejar señales analógicas (a tiempo real) para el control de un evento dado en algunas de éstas; así como abrir un canal en

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específico para transmitir voz, datos, imágenes, simultáneamente. La longitud del cableado máximo permitido sin tener interferencias es de 50 km. A una velocidad de transmisión de 100 mb/s (utilizando fibra óptica). El multiplexor transforma una señal en varias dimensiones, por ejemplo: se pueden designar dos o tres cables los cuales pueden ser usados para separar la información vital del sistema. Otra alternativa de comunicación sería transmitir por otra frecuencia y si por alguna razón ésta llegara a baja frecuencia, no se tomaría en cuenta. Con lo que se garantizaría una transmisión segura. Existen diferentes tipos de configuraciones de red lan; para el caso específico del laboratorio de robótica, la utilizada es la estrella (lleva la señal y ejecuta la instrucción); ésta se tiende a lo largo de la banda para transmitir la información a cada una de las estaciones que conforman el sistema flexible de manufactura (smf). La generación de estos datos parte de la computadora principal, la cual supervisa y manda los mensajes respectivos a cada una de las estaciones involucradas y recibe información de éstas.

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Topología más usual

Figura 22. Representación de la red Network. La red (Network) con cable coaxial es la más usada en fábricas y es capaz de trabajar hasta 300 mb. La fibra óptica no es muy utilizada en este momento, ya que el costo es muy alto pero se prevé que en el futuro se utilice más ya que puede transmitir hasta 4 gHz de velocidad. Los tipos de configuraciones posibles en una red en la actualidad ya están estandarizadas y formuladas por la Organización Internacional de Estandarización (ISO por sus siglas en inglés).

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Planeación y Control de la Producción 4.1. TIPOS DE PRODUCCIÓN En la Planeación y Control de la Producción (pcp) intermitente o por órdenes, la operatoria básica es similar, con algunas características diferenciales e identificatorias de cada situación. El pcp por órdenes comienza a funcionar cuando la empresa recibe el pedido del cliente, quien solicita la fabricación de un determinado producto. Las especificaciones técnicas del bien deseado son fijadas, también, por el cliente. Se presenta una idea general a la empresa y ésta completa y define el diseño final. Lo mismo ocurre en el caso de empresas prestadoras de servicios. La tarea de ingeniería del producto/servicio es fundamental para este tipo de planeación y control de la producción. Ante cada pedido recibido, se hace necesario elaborar planos, hacer dibujos y simulaciones. En definitiva, especificar las características del producto/servicio a elaborar/prestar. 175

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Existe otro tipo de empresas cuya producción es única e irrepetible, una vez finalizado el proceso de elaboración de que se trate. Se obtiene un producto cuyas características no volverán a reproducirse. Estamos hablando de proyectos. Planeamiento de la producción sobre pedido Un proyecto consiste en un conjunto de actividades de producción que: •

• • •

Tiene una identidad propia, es decir que cada producto –sea bien físico o servicio– presenta rasgos característicos distintivos con respecto a los restantes elaborados por el mismo productor; frecuentemente puede ser único. Se trata de obras de apreciable magnitud y/o importancia. Configura una red compleja de tareas vinculadas entre sí a través de múltiples interrelaciones de precedencia. Su duración suele prolongarse en el tiempo (aun cuando existen diferencias considerables entre un caso y el otro) y presenta momentos o hitos definidos que marcan su comienzo y su conclusión y las instancias inmediatas de su desarrollo.

Son ejemplos típicos de proyectos, entre otros: • • • • •

La construcción de edificios, plantas industriales, caminos, puentes, diques, etcétera. La construcción de grandes buques. El desarrollo e implementación de sistemas computarizados. El desarrollo de trabajos de consultoría, habitualmente conformados por el diagnóstico de problemas organizacionales y la puesta en marcha de las recomendaciones emergentes. La producción de películas.

En los proyectos se presentan tres instancias sucesivas:

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En primer lugar, la decisión de realizar el proyecto, que se transunta en la aprobación de un presupuesto presentado por un proveedor (en tal caso, el productor) y/o un formulario de inversión interno en la organización. En esta etapa se definen globalmente las características del proyecto, su secuencia, plazos, costos, erogaciones a efectuar y la rentabilidad o beneficios esperados (esto es, su justificación económica). Esta primera etapa es conocida comúnmente como análisis y evaluación de la inversión. El segundo paso se caracteriza por la especificación pormenorizada de los trabajos a efectuar, la interrelación de los mismos, los recursos a aplicar (materiales, mano de obra, equipos, etcétera), un computo de costos más preciso que la estimación original, el cronograma definitivo en base al cual se habrá de trabajar y el desarrollo financiero que se deriva de su realización. Todo esto se denomina ingeniería de detalle. La ejecución, en la que se lleva a cabo el proyecto, emitiéndose generalmente –para el control y costeo– órdenes de producción o de trabajo (como en la producción intermitente), y controlándose el cumplimiento de la cronología prevista, generalmente mediante el empleo de gráficos. Los métodos y técnicas utilizables para el planeamiento y programación de proyectos son variados: • • • • •

Métodos financieros de evaluación de proyectos de inversión. Gráficos de Gozinto y archivos de despiece, para analizar y diseñar la estructura del producto. Método mrp. Órdenes de trabajo. Métodos gráficos de programación, como el de Gantt y la técnica para la evaluación y revisión del programa o método crítico, pert (por sus siglas en inglés). La producción por proyectos presenta en la práctica los siguientes problemas:

Lo más común es que, entre una y otra etapa, se produzcan desvíos en exceso tanto en los montos a erogar como en los tiempos previstos, llegándose a

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multiplicar los originariamente presupuestados. A veces –de acuerdo con las cláusulas contractuales establecidas– eso puede desencadenar sanciones financieras para la firma responsable de ejecutar el proyecto, por lo que, cuando se trata de empresas que son oferentes habituales en el ramo, tratan de maniobrar para no verse perjudicadas e inclusive sacar provecho de la situación. De esta forma, los proyectos suelen terminar siendo algo muy distinto (desde el punto de vista económico-financiero, de su duración y de los beneficios esperados) de lo que en el inicio iban a ser. No hay un software (como el mrp para la producción por montaje) que permita desarrollar, controlar y costear adecuadamente y en forma completa los proyectos, y –sobre todo– irlos siguiendo paso a paso de una a otra etapa para evitar los desvíos referidos. La bibliografía, en este punto, se remite al método pert como la herramienta por excelencia, pero, aún reconociendo su utilidad, no cabe duda de que no resulta una solución integral al problema referido. El valor del pert, de los sistemas computarizados que lo aplican combinándolo con el Gantt, así como el empleo de órdenes para el control de trabajos específicos y, en ciertos casos, del mrp, constituyen elementos valiosos pero insuficientes para manejar un fenómeno como el de los proyectos, con tan aguda propensión a desvíos en tiempo y costo. La mejor forma de resolver este problema consiste en preparar cuadros comparativos de control mediante el software de planilla electrónica, en los que se cotejan (tanto en costo como en plazo) los principales rubros y subrubros del proyecto etapa versus etapa, es decir: la ingeniería de detalle. Este control debe efectuarse con la debida frecuencia, paso a paso, teniendo especialmente en cuenta los compromisos que se contraen, pues, en caso contrario, se enfrentaran hechos consumados, verdaderas autopsias donde poco restará por hacer. La interrelación de estas planillas con los restantes elementos de control (tales como gráficos pert, órdenes y familias de órdenes, mrp, etcétera) posibilitará una integración de las funcionalidades de éstos con la visión global que

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proporcionan las planillas que resumen el control de avance, que así pasarán a erigirse en el tablero de comando que sintetiza la marcha del proyecto. Mercado cambiante En un proceso productivo, como la constitución de una red informática en una empresa es probable que durante el proceso aparezca un nuevo insumo o elemento que pueda hacer más efectiva a la red, se debe parar la producción, proyectar el agregado del nuevo elemento y luego continuar con lo proyectado. Planeación y control de la producción por órdenes Los pedidos presentados por los clientes al área de comercialización constituyen la información necesaria con la cual se comienzan las actividades en Planeación y Control de la Producción por órdenes (pcp). Éstos deben contener el detalle analítico de las especificaciones técnicas solicitadas para el producto requerido. Además de esto, preparación requiere el diseño elaborado por ingeniería del producto y el detalle de las materias primas y lista de piezas, partes o componentes. El proceso, método, ruta, cargas de máquinas, capacidad de planta, instrucciones especiales sobre el método a seguir, herramientas requeridas, toda esta información es provista por ingeniería industrial. También se necesita el estado de maquinarias y equipos e instalaciones que debe informar ingeniería de planta o mantenimiento como el mostrado en la tabla diez.

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Tabla 10. Pronóstico y reporte de maquinaria y equipo Preparación En pcp continuo

En pcp por órdenes

Se requiere un pronóstico de ventas, que se convierte en el plan básico o maestro. Información inicial

Se requiere la orden o pedido del cliente. Información inicial primaria

Se debe decidir entre hacer o comprar. Se debe decidir el nivel de producción: • Siguiendo los picos de la demanda • Producción nivelada o constante

Se atiende el requerimiento, en volumen, del cliente

Se requiere un diagrama de Gozinto o de explosión y un diagrama de ordenamiento

Las especificaciones de los planos, dibujos y diseños, elaborados por ingeniería del producto son suficientes

Se debe fijar el ritmo diario de producción para poder cumplir con el plan maestro que satisfará la demanda pronosticada

Se trabaja en función de la capacidad instalada para satisfacer el pedido del cliente

La preparación se efectúa una sola vez, antes de lanzar la producción y se mantiene mientras no cambien, ya sea el producto elaborado (servicio prestado) o el proceso productivo y el método adoptado

La preparación debe efectuarse para cada trabajo o pedido a fabricar. Los diseños son diferentes

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Los vales de materiales, herramientas, las órdenes de inspección y control, los vales u órdenes para el transporte interno son las mismas. En pcp continua se emiten una vez para todo el período de fabricación, en tanto en pcp por órdenes se emiten para cada periodo. La información que contiene un gráfico de Gantt es: carga de trabajo para cada puesto, capacidad total de la planta, cargas en proceso, máquinas y equipos que integran la ruta de producción, la fecha de entrega y el calendario del periodo respectivo. Para poder utilizarlo, se requiere información actualizada y real. La capacidad de producción se obtiene sumando la capacidad de producción de cada uno de los puestos de trabajo del taller o de la sección respectiva. La operatoria de la preparación se concreta y manifiesta mediante los formularios que diseña y utiliza el preparador. Sin los mismos, no existe etapa de preparación. La orden de producción incluye, en su diseño, el detalle de los puestos de trabajo y operaciones integrantes del proceso productivo, por ello es, también, una hoja de ruta. El diseño básico del formulario es utilizado para dar comienzo al proceso productivo. Un vale de materiales sirve para retirar los mismos del almacén o depósito. Un vale de herramientas sirve para retirar éstas del almacén respectivo. En pcp por órdenes, las etapas o fases se llevan a cabo cada vez que se recibe un pedido. En general, la programación, en este tipo de pcp, se efectúa a partir de la fecha de entrega hacia atrás para poder calcular el momento exacto en que debe darse comienzo al proceso productivo, determinando si se podrá cumplir con la fecha de entrega.

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El lanzamiento, es la acción de entregar la respectiva carpeta al supervisor, encargado, capataz de línea, área o sección, o bien al propio jefe del taller. El control de avance supervisa el cumplimiento del programa elaborado para detectar inconvenientes que impidan la entrega en tiempo y forma. Si los problemas se producen, deberán ser solucionados para alcanzar el objetivo propuesto. cumple una función de servicio y con características intelectuales (trabajo mental). pcp

Almacenes desarrolla actividades de tipo físico, en tanto el control de inventarios puede efectuarse en las oficinas de administración de producción y, particularmente, en el área de la planeación y el control de producción. Existe otra posibilidad: ubicar el almacén dependiente de la función de compras. Otro aspecto importante, referido a la estructura organizativa, es la decisión de contar con una única subárea de pcp, es decir, centralizada o bien descentralizarla ubicando la pcp en cada planta o fábrica de la empresa. Éste es el caso de la empresa industrial con plantas fabriles en diferentes localizaciones. Producción por montaje Entre las industrias que trabajan por montaje se cuentan algunas de las actividades productivas de mayor relevancia para la economía actual, principalmente las mecánicas: automóviles, motores, tractores, electrodomésticos, electrónicos, etcétera. La producción por montaje se caracteriza por encadenar secuencias de procesos que convergen hacia una línea continua en la que se ensamblan los productos finales. Pero su primera parte agrupa operaciones de mecanizado en un sinnúmero de piezas, las que tradicionalmente han sido elaboradas en talleres

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manejados bajo una típica modalidad intermitente, ya sea en la propia empresa o por proveedores fuertemente vinculados a ella. Tal organización de la producción ha originado a este tipo de industrias no pocas dificultades para el planeamiento, la programación y el control, desde que Ford estableciera los nuevos patrones de operación que reemplazaron al viejo esquema artesanal. La propia naturaleza del producto hace que éste se vaya ensamblando en sucesivas etapas que convergen hacia un tronco principal: la línea de montaje final. Se configuran así verdaderas redes en las que cada punto de unión es alimentado por algunos o muchos componentes, dando lugar a una estructura con tiempos asociados. Para programar es necesario recorrer la red en sentido inverso, desde el producto hasta los orígenes, a fin de determinar qué piezas fabricar y cuándo hacerlo, teniendo en cuenta los problemas que esto puede llegar a acarrear. La explosión del producto en sus partes componentes se suele representar mediante gráficos de Gozinto. Alrededor de 1960 en los países más industrializados y avanzada la década de 1970, la programación de la producción por montaje se hacía mediante ficheros que eran atendidos por verdaderos ejércitos de empleados, donde cada fichero representaba una pieza, componente, subensamble o ensamble. Establecido un plan de producción los responsables de las fichas correspondientes a los productos finales calculaban los requerimientos de componentes y productos necesarios para fabricarlos y los comunicaban a los encargados de las fichas respectivas, y así se seguía de unos a otros, a través de la red, hasta llegar a las primeras piezas, que solían venir de proveedores. A éstos se les solía comunicar un plan de requerimientos, donde generalmente los tres primeros meses eran tomados como en firme y los siguientes tres como una estimación.

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Como es obvio, la forma de programar era lenta, rígida, y terreno fértil para toda clase de errores. Se fueron desarrollando así prácticas tendientes a mejorar los programas, a acumular grandes inventarios de partes y las industrias de montaje adquirieron un perfil paquidérmico, tan antieconómico como inflexible. Este panorama cambió radicalmente para la industria del montaje con dos adelantos fundamentales que nacieron y se desarrollaron en las décadas del 1960 y 1970: el método mrp y la producción justo a tiempo. Variaciones estacionales Estas variaciones afectan disminuyendo la demanda de algunos productos debido a cambios estacionales: Ejemplos: • • •

Las fábricas de ventiladores disminuyen o anulan su producción en invierno, ya que este producto es inútil en esta temporada, la aumentan entrando en primavera o en verano. Otro caso sería también el de los calefactores quienes sufrirían un caso parecido al anterior pero de manera inversa, ya que sería en invierno donde aumente la demanda de estos productos. Los cambios estacionales también afectan a la producción de comestibles, un ejemplo sería el de las galletas “OREOS” bañadas en chocolate, que se dejan de producir en verano debido a que el chocolate se derrite por el calor veraniego. Luego al empezar el otoño reanudan su producción. Control de Costos

No cabe duda de que la mejor manera de efectuar el control cuantitativo y el costeo de la producción por montaje es a través del sistema mrp. Entre sus salidas se suelen contar informes para estos propósitos.

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En tanto sus archivos albergan la información acerca de lo programado y pueden ser además alimentados con los datos reales, es posible efectuar los controles de cumplimiento y eficiencia como un subproducto del mismo sistema. Por otra parte, los datos de costos de materiales, mano de obra y costos variables y fijos, permiten no solo obtener el costo por producto, sino también variaciones de cantidad de insumos y precios de costo. Mercado Cambiante Cuando hay mucha producción de un producto, la demanda de éste disminuye. Esto produce una sobresaturación de mercadería. Encontramos dos soluciones posibles para este problema: • •

Disminuir la producción hasta que vuelva aumentar la demanda de este producto, lo que no parece viable ya que si la demanda disminuyó es poco factible que vuelva a aumentar. Cambiar, y producir otro producto más novedoso y así generar una nueva demanda. Modalidades de la producción de proceso continuo

Son modalidades de la producción continua que condicionan substancialmente su planeamiento y control: • • •

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Produce grandes volúmenes. Su orientación es hacia el producto, tanto desde el punto de vista del diseño de la planta, como por el hecho de que la cantidad elaborada de cada producto es muy elevada con relación a la variedad de productos. Cada producto es procesado a través de un método idéntico o casi idéntico.

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• •

• • • • •

Los equipos están dispuestos en línea, con algunas excepciones en las etapas iniciales de preparación de los materiales. El ruteo es el mismo para cada producto procesado. Es de capital intensivo, por lo que el planeamiento del uso de la capacidad instalada resulta prioritario. Como es frecuente que se trabajen tres turnos durante los siete días de la semana, se torna imposible, en tales casos, recurrir al tiempo extra cuando la demanda exige una mayor producción. Consecuentemente, el grado de mecanización y automatización es alto. Los inventarios dominantes son los de materias primas y productos elaborados, dado que los de material en proceso suelen ser mínimos. El planeamiento y control de la producción se basan, en gran medida, en información relativa al uso de la capacidad instalada (debido a lo que señaláramos) y el flujo de los materiales de un sector a otro. A menudo se obtienen coproductos y subproductos, que generan complicaciones para el planeamiento, el control y el costeo. Las actividades logísticas de mantenimiento de planta y distribución física del producto adquieren una importancia decisiva.

Entre las industrias que se caracterizan por operar en forma continua se cuentan las que elaboran productos tales como: celulosa, papel, azúcar, aceite, nafta, acero, envases, etcétera. Dentro de un esquema conceptual de esta naturaleza, el tamaño de las corridas o lotes varía de periodos cortos hasta una operación absolutamente continua. Cabe distinguir entonces dos subtipos básicos dentro de este tipo de producción, que no dependen tanto del ramo de actividad de que se trate si no de la variedad de productos que elabore la empresa: • •

Ultracontinua. Continua por lotes.

En la ultracontinua solo es necesario determinar las cantidades a producir y los insumos para periodos prolongados, por lo que carecen de relieve la programación

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y el lanzamiento. Desde el punto de vista del planeamiento y control de la producción es la más sencilla. En caso de producirse por lotes, el tamaño de estos y su secuencia obligan al uso de algún modelo de programación que optimice tales aspectos, además de tener en cuenta las complicaciones que puedan presentarse en cada circunstancia particular. Los modelos de planeamiento y programación mas utilizados son: • • • •

El presupuesto, lisa y llanamente. La programación lineal. La simulación mediante computador. Modelos específicos desarrollados para ciertas industrias o empresas. Control cuantitativo y costeo

El control cuantitativo y el costeo en la producción continua se realizan por procesos. Debido a ello, reviste decisiva importancia la adecuada definición de los centros o módulos de control y costos (los que se corresponden con los procesos del sistema). Estos centros pueden ser: • • •

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Productivos. De servicios (generadores de electricidad, vapor, aire comprimido, etcétera). De almacenaje (de materias primas, producción en proceso y/o productos terminados).

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Producción especial por producto mayor Es el caso de la fabricación de maquinaria especial o de productos no estándares de fabricación unitaria o en pequeños lotes. El tipo de producción normalmente utilizado en este caso es el de tipo taller funcional. Generalmente, los plazos de producción son largos y en proceso de producción de un pedido incluye fases de: • • • • •

Oficina técnica y de producción: creación de la documentación para producción. Aprovisionamiento de materiales. Fabricación de piezas. Montaje de subconjuntos y montaje final. Expedición.

La ordenación de la producción se realiza a medida que se dispone de la documentación técnica, generando pedidos de material y órdenes de producción para cada pieza y conjunto de piezas. La fijación de plazos y fechas previstas de lanzamiento y terminación se hace de atrás hacia adelante, estimando plazos de aprovisionamiento, fabricación y montaje, y de adelante hacia atrás, partiendo de la fecha comprometida de envío del conjunto final. De esta forma, se obtiene el camino crítico o proceso más largo, cuyo retraso puede comprometer al cumplimiento del plazo de entrega. Es, por tanto, un procedimiento parecido al de la planificación de la producción por proyectos (pert, cpm). En un sistema de gestión para productos complejos, es decir, en que el producto final se compone de subconjuntos y componentes en diferentes niveles, la mayoría de éstos no están sometidos a una demanda independiente sino que todos ellos dependen de la demanda de los productos finales y, en definitiva, del plan de producción.

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Los sistemas de gestión de materiales tradicionales, como el de punto de pedido, consideran la demanda de cada artículo de una forma independiente y, para el cálculo de los parámetros de gestión, se considera la historia pasada. Por el contrario, el sistema de planificación de necesidades de materiales (mrp) es un sistema orientado hacia el futuro al basarse en el plan de producción, considera los artículos a gestionar como demanda dependiente de las órdenes de nivel superior. En definitiva, el método consiste en partir del plan de producción de los productos finales y “explosionar” las listas de materiales nivel a nivel para obtener órdenes de fabricación y montaje de los artículos “hijos”, por comparación con las existencias y una vez que se han declarado en el tiempo los correspondientes ciclos de fabricación o montaje. Control de stocks y gestión por punto de pedido La denominación control de stocks se aplica estrictamente a los procedimientos que permiten conocer, en cualquier momento o por períodos definidos, las existencias, órdenes pendientes y cantidades reservadas para cualquier artículo de un almacén, sea de materias primas, productos intermedios o productos finales. El control de stocks requiere, por tanto, llevar una contabilidad rigurosa de las entradas, salidas y órdenes o pedidos que afectan a cada uno de los artículos. El control de stocks es, por ello, una herramienta necesaria para realizar la gestión de órdenes y pedidos por procedimientos como el mrp, examinado anteriormente, o por otros directamente ligados a un sistema de control de stocks, como es el de punto de pedido. El procedimiento de gestión por punto de pedido responde a las dos preguntas básicas de cualquier sistema de gestión: ¿Cuándo pedir?, ¿cuándo pedir? •

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Cuándo pedir. La necesidad de pedir se determina por el momento en que disponibilidades actuales, menos el stock de seguridad, se definen

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esperando que sean suficientes para abastecer la demanda normal durante el plazo de reaprovisionamiento, considerando, la disponibilidad como la suma de las existencias más las cantidades pedidas pendientes de recibir, menos las cantidades reservadas para órdenes lanzadas y el stock de seguridad. – Disponibilidad (stock disponible) Es la suma de las existencias más las cantidades pedidas pendientes de recibir, menos las cantidades reservadas para órdenes lanzadas. – Stock de seguridad Es la cantidad que se fija como “colchón de seguridad” para cubrir excesos de demandas sobre la previsión normal o retrasos en los plazos de reaprovisionamiento.

Figura 23.Stock de seguridad. – Plazo de reaprovisionamiento Es el tiempo que transcurre entre el momento en que puede detectarse la necesidad de pedir hasta el momento en que el suministro está disponible en el almacén.

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Cuánto pedir. La cantidad a pedir será la que resulte del cálculo de la cantidad económica de pedido (Q'), según la conocida fórmula de Wilson: Siendo: •

D = Demanda en unidades del artículo mantenida en inventario por período. CE = Coste de emisión de órdenes de pedido, o sea, el coste de lanzar un pedido (órdenes de fabricación, incluye los tiempos de preparación de máquinas). CA = El coste de almacenaje de una unidad almacenada durante la unidad de tiempo (igual a la tasa de almacenaje por el coste unitario del artículo). Frecuentemente, la cantidad a pedir viene modificada por criterios como: Cantidad mínima que sirve un proveedor. La cantidad debe ser múltiplo de un número de unidades dadas (lote mínimo) que depende de condicionamientos físicos, containers o palets de movimiento de materiales. Hay descuentos por cantidad, que hacen interesante sobrepasar un determinado tamaño de orden. La cantidad debe ser tal que las existencias no sobrepasen un límite fijado para las mismas. Así como otros condicionantes que pueden establecerse por razones de conveniencia. En realidad, el sistema de gestión de punto de pedido se puede aplicar con procedimientos muy diferentes, según se clasifiquen los artículos por el método ABC.

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Para los artículos de tipo C, artículos de menor consumo en valor, que sean de tipo estándar, como tornillería, piezas normales izadas de poco valor, es posible aplicar métodos muy simples que no tienen prácticamente costes administrativos. En este tipo de artículos es aceptable considerar altos stocks de seguridad, ya que se trata de artículos de poco valor cuyo coste de inventario es bajo, mientras que la falta de material puede producir paradas costosas en la producción. El método sencillo de gestión a que nos referimos se llama, en terminología anglosajona, el two-bin system, algo así como el método de las dos cajas. En contraste con un sistema tan sencillo, para los artículos de tipo A, de gran valor de consumo anual, es necesario hacer un seguimiento muy fino para poder conseguir stocks mínimos sin que se produzcan roturas de stock. Two-bin system Se utilizan dos cajas para guardar las existencias del artículo. En una de ellas la cantidad existente debe ser igual al punto de pedido –o mínimo– establecido. Esta caja no se utiliza hasta agotar la otra. Cuando esto ocurre se abre la caja donde se ha colocado una tarjeta con los datos del artículo para su pedido: designación, cantidad de pedido, proveedor, plazo, precio. La tarjeta se envía a compras, para que pase el pedido. Este sistema no requiere, por tanto, escribir datos ni llevar ficha de existencia del artículo.

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Una revoluci贸n en la producci贸n 5.1. Biograf铆a de Shigeo Shingo

Figura 24. Shigeo Shingo. 193

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Shigeo Shingo es quizás el menos conocido en Occidente de los Gurúes de la calidad, aunque su impacto en la industria japonesa, y directamente en la industria Occidental, ha sido muy grande. Dice Bodek Normando, Presidente de Productivity Incorporation: Si yo pudiera dar un premio Nobel para las contribuciones excepcionales a la economía mundial, prosperidad, y productividad, yo no tendría mucha dificultad en seleccionar a un ganador, el trabajo de toda la vida de Shigeo Shingo ha contribuido al bienestar de todos en el mundo. Junto con Taiichi Ohno, en su momento vicepresidente de Toyota Motors, Shingo ha ayudado a revolucionar la manera en que nosotros fabricamos. Sus principios de mejora reducen inmensamente el costo de fabricar esto significa que más productos llegan a más personas; ellos hacen el proceso industrial más responsable abriendo la posibilidad a productos nuevos e innovadores, sustancialmente reduce los defectos y mejora la calidad, y da una estrategia para la mejora continua a través del desenvolvimiento creativo de todos los empleados. El acercamiento de Shingo da énfasis a la producción en lugar de hacerlo sobre la dirección. Su lema (uno de tantos) es que aquéllos que no están descontentos nunca harán cualquier progreso. Él creyó que el progreso se logra por el pensamiento cuidadoso, la persecución de las metas, la planificación y aplicación de soluciones. Shingo murió a los 81 años en noviembre de 1990. Shingo nació en 1909 la Ciudad de Saga, Japón y se gradúo en Ingeniería Mecánica de Yamanashi en la Universidad Técnica en 1930; posteriormente trabajó en la fábrica de trenes de Taipei en Taiwán, ahí introdujo la dirección científica. Se hizo consultor de dirección profesional en 1945 de la Asociación de Dirección de Japón. Más tarde fue gerente de la Sección de Educación, de la de informática y después de la Oficina de Fukioko. Dentro de su rol de Jefe de Sección de Educación en 1951 escuchó acerca del control de calidad aplicado y del control estadístico. Para 1954 había investigado 300 compañías. En 1955

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se encargó de la ingeniería industrial y mejoramiento del entrenamiento de la fábrica Toyota Motors Company para sus empleados y para sus proveedores (100 compañías aproximadamente). Durante el periodo 1956-1958 en las industrias pesadas Mitsubishi en Nagasaki, Shigeo Shingo fue el responsable de reducir el tiempo de ensamble de los cascos de barcos petroleros de 65 000 toneladas de 4 a 2 meses. Esto estableció un nuevo registro mundial en la construcción naval, y el sistema se extendió a cada astillero en Japón. En 1959 dejó la Asociación de Dirección de Japón y estableció el Instituto del Mejoramiento, teniéndolo como Presidente. En 1962 empezó a entrenar a la Compañía Industrial Eléctrica Matsushita en el área de ingeniería industrial y mejoras de planta. Como antes, el entrenamiento se hizo a gran escala llegando a entrenar unas 7 000 personas. En el periodo 1961-1964 Shigeo Shingo extendió las ideas de control de calidad para desarrollar el Poka-yoke (a prueba de errores o el concepto defectos = 0). Como consecuencia el acercamiento estaba aplicado en varias plantas con registros por sobre los dos años funcionando sus operaciones libres de defecto. En 1968 en Sata Ironworks (herrajes) originó el sistema de Preautomatización que se extendería más tarde a lo largo de Japón. Se le otorgó “la Cinta Amarilla” condecoración por sus servicios distinguidos en la mejora de la producción en 1970. También en ese año originó el Sistema smed en Toyota qué es parte del sistema justo a tiempo, el primer viaje de estudio al extranjero de Shigeo Shingo fue en 1971. Visitó Europa en 1973 por invitación de las Diecasting Associations (asociaciones de fundición) de Alemania Occidental y Suiza, dirigió el entrenamiento práctico en Daimler Benz y Thurner en Alemania, y H-Weidman S.A., Bucher-Guyer AG y Gebr Buhler S.A. en Suiza. También visitó Livernos Automation en EUA en 1974 y dirigió el entrenamiento en smed para la Federal Mogul Company y el no stock en Producción desde 1975 a 1979. Su primera consultoría para una empresa extranjera fue para Citroen en Francia en 1981.

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Otras compañías dónde dio consejos incluyen a: Daihatsu, Yamaha, Mazda, Sharp, Fuji, Nippon, Hitachi, Sony y Olympus en Japón, Peugeot en Francia. El uso de sus métodos dentro de la compañía americana Omark Industries lideró los aumentos de productividad y reducciones de defecto y stock, de modo que la compañía instituyó el premio anual Shingo otorgado a los diecisiete que demostraran la mejora global en cualquier lugar del mundo que estuviera. El legado de Shingo La contribución de Shingo en lo que se refiere a la calidad fue que desarrolló, en los años, sesenta del sistema Poka-yoke y de los sistemas de inspección en la fuente u origen. Éstos se desarrollaron gradualmente cuando él comprendió que los métodos de control de calidad estadísticos no harían que los defectos se redujeran a cero. La idea básica es detener el proceso siempre que un defecto ocurra, definir la causa y prevenir la ocurrencia y repetición de éste. Ningún muestreo estadístico es por consiguiente necesario. Una parte importante del procedimiento es que la inspección en la fuente es empleada como parte activa de la producción al identificar los errores antes de que se vuelvan defectos. El descubrimiento del error detiene la producción hasta que el error se corrige o lleva al ajuste para impedir que el error vuelva a ser un defecto. Esto ocurre en cada fase del proceso supervisando las fuentes potenciales de error. Así se descubren los defectos y se corrigen en el origen, en lugar de en una fase más tardía. Típicamente, este proceso es posible, instrumentando que las máquinas tengan retroalimentación inmediata; de este modo la confianza en el juicio –falible– del personal se minimiza. Ellos son esenciales, sin embargo, para establecer las fuentes de error potenciales. En una visita a Yamaha Electric en 1961, Shigeo empezó a introducir los dispositivos simples, mecánicos o físicos en operaciones de ensamble cuando un obrero se había olvidado de una de las partes (previenen que las partes sean

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ensambladas incorrectamente e inmediatamente son señaladas). Estos Pokayoke son dispositivos a prueba de errores que tienen la consecuencia de llevar los defectos a cero. En 1967 Shingo va más allá refinando su trabajo introduciendo las inspecciones en la fuente y los sistemas Poka-yoke que realmente le impiden al obrero cometer errores para que los defectos no puedan ocurrir. Las ventajas asociadas eran que el muestro estadístico no era necesario y que los obreros eran más libres en concentrarse en actividades valiosas como identificar las fuentes de error potenciales. Habiendo aprendido y hecho un uso considerable del control de calidad estadístico en los años cuarenta, después de 20 años, en 1977 Shingo se liberó finalmente del hechizo de los métodos de control de calidad estadísticos cuando vio –en la planta Shizuoko de Matsushita en la división de máquinas de lavando– que se había tenido éxito continuamente durante un mes con ceros defectos en una línea de asamblea de cañerías de desagüe que involucraba a 23 obreros. Esto se logró principalmente a través de la instalación de dispositivos Poka-yoke para prevenir la ocurrencia de defectos, haciendo inspección en la fuente. Estas técnicas juntas constituyen el cero control de calidad que Shingo argumentaba que podía lograr; lo que hubiera sido imposible usando los métodos de control de calidad estadísticos. Shingo acentuó el logro práctico de cero defectos por una buena ingeniería e investigación del proceso, en lugar de dar énfasis a los métodos de exhortaciones usloganes que ha sido asociado con las campañas de calidad en muchas compañías americanas y occidentales. El propio Shingo, como Deming y Juran, mostró preocupación a tales acercamientos americanos, argumentando que mientras las estadísticas de defectos se quedan en los papeles, los defectos continúan teniéndose que ubicar aguas abajo de la cadena de producción. Shingo identificó tres tipos diferentes de inspección:

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•

De Juicio: implica clasificar los defectos en los productos en aceptables o no, se llama inspeccionar la calidad.

•

Informativa: usa los datos generados de la inspección y control del proceso para prevenir defectos (spc o medida). Chequeos sucesivos y “autocontrol” en zqc (Zero Quality Control, por sus siglas en inglés) también son un tipo de inspección informativa. Los chequeos sucesivos eran la contestación de Shingo a la visión que las mejoras son más rápidas cuando el feedback de calidad es más rápido.

•

En la fuente: se determina antes del hecho, si las condiciones necesarias para la calidad existen. Con la inspección en la fuente, los dispositivos Poka-yoke aseguran que las condiciones existentes de operación son las apropiadas antes de la producción real. A menudo estos dispositivos también se diseñan para prevenir que los procesos se realicen, hasta que las condiciones necesarias estén satisfechas.

Ejemplo: General Motors tenía una operación que implicaba la soldadura de tuercas en una placa de metal de un panel. Cuando el panel es cargado por el operador, las tuercas a soldar se alimentan automáticamente debajo del panel. Los ciclos de la máquina y las tuercas a soldar se controlan desde el panel. Si el equipo bloquea o no alimenta y no hay ninguna nuez cargada, la máquina parará el ciclo. Por consiguiente hay una baja probabilidad de fracaso del proceso. Un error de esta naturaleza a veces no se descubre hasta que el automóvil se suelda completamente. Esto produce una reparación mayor o un retrabajo.

Para corregir este problema, se pasó un alambre a través de un agujero en el electrodo que sostiene la tuerca, aislándolo fuera del que lo atraviesa, de este modo sólo hará contacto cuando la tuerca deba soldarse. Dado que la tuerca a soldar es de metal, se conduce la electricidad con la tuerca presente, a través de la cual fluirá, permitiendo que la máquina complete su ciclo. Si una tuerca no está presente, no habrá flujo de corriente. El proceso se controla para que la máquina permanezca parada a menos que haya una tuerca en su lugar.

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La inspección en la fuente, autochequeos (autocontrol) y los chequeos sucesivos son las técnicas de inspección que se comprenden y manejan en el proceso más eficazmente. Así cada uno se involucra inspeccionando 100% del rendimiento del proceso. En este sentido, el zqc es un nombre equivocado. Éstas técnicas de inspección aumentan la velocidad con que la información de la calidad se recibe. Aunque cada artículo se inspecciona, Shingo era enfático en que el propósito de la inspección es mejorar el proceso y prevenir los defectos. Por consiguiente no intenta que se determinen los defectos (aunque en algunos casos también puede ser que de resultado conocerlos). La inspección en la fuente impide que los defectos ocurran. Los autocontroles y chequeos sucesivos proporcionan la retroalimentación sobre los resultados del proceso. Éstos deben usarse cuando la inspección en la fuente no puede hacerse o cuando el proceso no se entiende todavía lo bastante bien como para aplicar las técnicas de inspección en la fuente. Shingo creyó que la inspección en la fuente u origen es el método ideal de control de calidad por sobre la informativa que depende del feedback sobre las condiciones para la producción de calidad, ya que se obtiene después de que el proceso se ha realizado. Cero control de calidad es un enfoque del control de calidad desarrollado y formalizado por Shingeo Shingo, que destaca la aplicación de las Poka-yoke (a prueba de errores). Se basa en la premisa de que los defectos se generan porque ocurren errores en el proceso. Por tanto, no habrá defectos si existe la adecuada retroalimentación (inspección) y si se toman las acciones necesarias en el lugar donde se pueden dar errores. Para ello debemos utilizar inspecciones en la fuente, autochequeos y chequeos sucesivos como técnicas de inspección. La idea principal de este concepto es de interrumpir el proceso cuando ocurre un defecto, definir la causa y corregirla, que es el principio del jit en lo que se refiere a la calidad. Por ello no es necesario realizar muestreos y aplicar control estadístico de la calidad, para conseguir cero defectos.

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La aplicación práctica de este enfoque se basa, por tanto, en investigar minuciosamente la ingeniería de los productos y los procesos, en lugar de realizar campañas de motivación con eslóganes y exhortaciones a la calidad, mostrando abiertamente las estadísticas de los defectos. El nombre de este enfoque suele generar algunas controversias, ya que sugiere que no se controla la calidad, cuando en realidad existe una inspección, íntegra de los productos y de todos los procesos, a través de los dispositivos Pokayoke. El punto es que bajo este enfoque se busca generar procesos “perfectos” o incapaces de generar productos defectuosos por lo que el control de calidad, desde un punto de vista tradicional no existe. El cero control de calidad: • • • • • • • •

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Es más conocido por sus contribuciones al área de la optimización de la producción que a la de la calidad total. Propone la creación de sistemas Poka-yoke (a prueba de errores). El sistema Poka-yoke consiste en la creación de elementos que detecten los defectos de la producción. Propone el concepto de inspección en la fuente para detectar a tiempo los errores. El proceso de dirección de una empresa se basa en acciones individuales y la conjunción de estas actividades de grupo dentro de las categorías de dirección ejecutiva. Para reducir defectos dentro de las actividades de producción, el concepto más importante es reconocer que los mismos se originan en el proceso y que las inspecciones sólo pueden descubrir esos defectos. Es necesario incluir un Poka-yoke durante la fase operativa y prevenir la ocurrencia de errores. Un sistema de chequeos sucesivos, asegura la calidad del producto en el origen y es más efectiva para lograr cero defectos. Los sistemas del control de calidad total consisten en el involucramiento de todo el personal de la organización, en la prevención de errores a través de los círculos de calidad cero.

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El término Poka-yoke (se pronuncia poh-kah, yoh-kay) viene de las palabras japonesas poka (error inadvertido) y yoke (prevenir). El mecanismo fue popularizado por Shigeo Shingo en la década de 1960: • • • • •

El dispositivo Poka-yoke es cualquier mecanismo que impida que un error se produzca o haga que el error sea obvio. La idea esencial de pokayoke es diseñar el proceso para que los errores sean imposibles o por lo menos fácilmente descubiertos y corregidos. Poka-yoke fue creado y formalizado por Shigeo Shingo como parte fundamental de (zqc) Cero Control de Calidad. Poka-yoke es un enfoque que combina Mistake-Proofing (a prueba de errores), con prevención de los errores en el puesto de trabajo, detección de errores (autochequeos), e inspección en la fuente. Poka-yoke se plasma en dispositivos mecánicos o electrónicos sencillos o complejos que se incluyen en el proceso productivo o trucos ingeniosos en el diseño de productos o procesos para evitar que se comentan errores.

5.2. Poka-yoke Poka-yoke es una técnica de calidad desarrollada por el ingeniero japonés Shigeo Shingo en la década de 1960 como ya se mencionó. La finalidad del Poka-yoke es la eliminar los defectos en un producto ya sea previniendo o corrigiendo los errores que se presenten lo antes posible. Un dispositivo Poka-yoke es cualquier mecanismo que ayuda a prevenir los errores antes de que sucedan o hace que sean muy obvios para que el trabajador se de cuenta y lo corrija a tiempo. La práctica de este sistema se realiza más frecuentemente en la comunidad manufacturera. El concepto es simple: si no se permite que se presenten errores en la línea de producción, la calidad será alta y el retrabajo poco. Esto aumenta la satisfacción

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del cliente y disminuye los costos al mismo tiempo. El resultado, es de alto valor para el cliente. Los sistemas Poka-yoke implican llevar a cabo 100% de la inspección, así como, retroalimentación y acción inmediata cuando los defectos o errores ocurren. Este enfoque resuelve los problemas de la vieja creencia que 100% de la inspección toma mucho tiempo y trabajo, por lo que tiene un costo muy alto. Un sistema Poka-yoke posee dos funciones: una es la de hacer la inspección íntegra de las partes producidas, y la segunda es que si ocurren anormalidades puede dar retroalimentación y acción correctiva. Los efectos del método Poka-yoke en reducir defectos va a depender en el tipo de inspección que se este llevando a cabo, ya sea: en el inicio de la línea, auto-chequeo, o chequeo continuo. ¿En qué etapa se debe aplicar el Poka-yoke? En términos generales, tal como veremos en los ejemplos consignados al final de este artículo, se busca una solución de Poka-yoke cuando el proceso para obtención de un producto o de un servicio, ya está generado. Es decir que el proceso tiene defectos que son los que generan errores. Una simple lógica obliga a preguntarse por qué no se aplicó Poka-yoke antes de iniciar el proceso. Esto conduce a una segunda pregunta: ¿dónde es el lugar racional para iniciar el Poka-yoke?, ¿en cuál etapa? Las posibilidades se muestran en la figura 25.

Figura 25. Etapas de Poka-yoke.

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Lo ideal es que los Poka-yoke se incluyan desde la etapa de diseño. De lo contrario, si se quieren introducir una vez diseñados el producto/servicio o el proceso, no se cumplirá con un axioma básico de la calidad moderna que es “hacer las cosas bien a la primera”, con los costos adicionales que ello significa. O dicho de otro modo, es una mejora continua mal entendida, ya que se llama a los consultores para solucionar algo que en realidad debió preverse desde las primeras etapas. Con el fin de potenciar la utilidad del Poka-yoke, y paralelamente, no caer en la trampa tan común, de colocarlo, en forma indiscriminada (se debe tener presente que tiene un costo) los mismos se combinan con el uso de otras herramientas de calidad, fundamentalmente con el amfe (Análisis de Modos de Falla y sus Efectos), que es una metodología que permite, en cada etapa del diseño del producto/servicio o proceso, decir qué índice de riesgo existe. En definitiva da un número y ese número es el que permite asignar prioridades. Por eso el amfe y el Poka-yoke tienen que estar hermanados, porque el amfe es la herramienta que indica dónde se justifica o no la aplicación de Poka-yoke. Una tercera herramienta que también se hermana con el poka-yoka es el estudio de confiabilidad, porque muchos de los dispositivos que se ponen para reducir los defectos, son exactamente eso, dispositivos, y los dispositivos no tienen cien por ciento de confiabilidad. Es por eso que debemos analizar la confiabilidad para conocer que probabilidades de errores pueden cometerse. En la figura 26 se aprecian estos conceptos.

Figura 26. Conceptos de diseño.

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Figura 27. Evolución en la obtención del cero defecto en las compañías. En la figura 27 observamos que no todos los Poka-yoke son iguales. Las empresas mostradas en la etapa 1 en realidad ya no existen, porque una compañía así ya no está en el mercado. Además conviene hacer una distinción: error no es sinónimo de defecto. Cometer un error puede derivar en un defecto, pero puede suceder que este último no aparezca pese al error cometido. La etapa 2 sí se encuentra en algunas empresas actuales, que se han dado cuenta que no pueden enviar al cliente productos o servicios con defectos, porque pierden ventas o incluso al cliente. En este caso, lo primero que se implementa es una inspección sobre el producto terminado para evitar que los defectos terminen en el cliente. La etapa 3 agrega nuevas funciones a la inspección. Es en ese punto cuando el inspector puede decir qué tipo de errores tiene el producto, en cuáles operaciones se produjeron y en qué cantidades. Con esa información se puede realimentar el proceso para bajar los índices de rechazo. En la etapa 4 es necesario entender que en la operación propiamente dicha actúan seres humanos y que éstos pueden encargarse ellos mismos de advertir

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los defectos. Es lo que se llama autocontrol y que en el esquema de la etapa 4 está representado por la línea que vuelve para realimentar la mejora antes de llegar a la inspección. En la etapa 5 la sucesión operaciones errores se mantiene, pero no se espera que se cometan más errores ya que están los Poka-yoke que impiden que el éstos se trasformen en defecto. En este caso, el cliente no tiene ninguna posibilidad de recibir un ítem defectuoso, porque no se genera. Tabla 11. Clasificación de los Poka-yoke ¿Detiene ¿Automáticamen- Calidad y Tipo de el Detecta el defecto te separa o avisa? confiabilidad Poka-yoke proceso? Antes de producirse

Separa

Después de producirse

Separa

Sí

Antes de producirse

Separa

Sí

Después de producirse

Separa

Antes de producirse

Avisa

Sí

Antes de producirse

Avisa

Después de producirse

Avisa

Sí

Después de producirse

Avisa

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Óptimo

Sentido lineal

Peor

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Conceptos aclaratorios A continuación presentamos algunos ejemplos donde aplicamos el criterio Poka-yoke. 1. ¿Es realmente útil la inspección por muestreo atributiva, de cara al cero defecto? a) Los sistemas de muestreo por atributos basados en las normas IRAM 15, MIL-STD 105D ó similares, de ninguna manera condicen con el concepto del cero defecto. Veámoslo con un ejemplo: supongamos que yo quiero determinar si envío o no a un cliente un lote fabricado. Supongamos también, que admito un nivel aceptable de calidad (aql por sus siglas en inglés) de 0.1 por cierto, (un valor exigente dentro de estas normas de muestreo por atributos). ¿Qué significa un AQL = 0.1?, pues que con una probabilidad de aproximadamente 95%, un lote que tenga un 0.1% de defecto será aceptado. Ah..... bien, entonces me quedo tranquilo. ¿Me quedo tranquilo?, ¿qué significa un 0.1%? 0.1 1 10 100 1000

en en en en en

100 ó 1000 ó 10000 ó 100000 ó 1000000

Es decir que estamos hablando de 1 000 ppm (mil partes por millón) cuando hoy en día para trabajar al nivel internacional hay que lograr no más de 100 ppm. Pensemos entonces en la contradicción que significa estar usando sistemas de muestreo que de arranque nos aseguran que vamos a trabajar como mínimo a 1 000 ppm cuando ya nos han advertido que no aceptarán más de 100 ppm. Tener presente que el llamado movimiento 6 σ (sigmas), tan en boga actualmente,

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pregona la búsqueda de 3.4 ppm. Como conclusión debemos tener presente esto: si queremos bajos niveles de ppm, los sistemas de muestreo por atributo nos garantizan que no los vamos a lograr. Por otra parte aquella persona que recibió el producto o servicio defectuoso, poco le importa, que el índice de rechazo que usted tiene, sea de 0.1%, 0.01% o cualquier otro. Para él es 100% de lo recibido. 2. Las tres técnicas de inspección en el campo de la calidad son: a) Inspecciones evaluativas: separan los ítems defectuosos de los buenos, después del proceso. Evitan que lleguen al cliente, pero no mejoran la tasa de defectos, retrabajos, costos de la no calidad, etcétera. b) Inspecciones informativas: separan los ítems defectuosos de los buenos, después del proceso. Evitan que lleguen al cliente. Investigan las causas de los defectos, realimentando al proceso causante de la falla, permitiendo mejorar la tasa de defectos, retrabajos, costos de la no calidad, etcétera. c) Inspecciones en la fuente: un defecto es un resultado o efecto, generalmente causado por un simple error. Por medio de inspecciones 100% en la fuente del error, el mismo puede evitarse y por lo tanto el defecto. En este caso puede lograrse el cero defecto. Los tres componentes del cero defecto (según Shingeo Shingo): • • •

Inspecciones en la fuente. Inspecciones al 100%: usando simples y baratos sistemas Poka-yoke. Acción inmediata: las operaciones se deben parar de forma inmediata ante la aparición de un error, y no se deben reanudar, hasta tanto se haya corregido la causa del error.

Aquí es importante tener en cuenta que Poka-yoke tiene un costo y el mismo debe estar en relación con el beneficio que se espera. Cuando se plantean inspecciones

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al 100% hay gente que puede alarmarse por el costo que eso significa. Pero por otra parte cualquier modelo de muestreo, por definición, siempre tiene un riesgo de dejar escapar un defecto. Todo depende de cuanto riesgo pueda correrse. Un caso es el de una empresa alimenticia que tenía una variable crítica en el peso de los productos. La variable crítica no se refería al cliente sino a sus propios costos, ya que si entregaba más que el peso establecido perdía dinero. La única manera de asegurar que eso no sucediese era pesar unidad por unidad, es decir inspección de cien por ciento. Se hicieron los cálculos de costo beneficio y los números dieron en negro (positivos). El beneficio justificaba la inversión y se instaló un sistema de medición de peso de unidad por unidad. Otro caso clásico es el de la industria atómica en donde se hacen radiografías completas a todas las soldaduras. ¿A todas las soldaduras? Sí, porque una fisura ahí puede significar un desastre. ¿Cómo lograr que un proceso funcione correctamente en forma permanente?

Figura 28. Proceso permanente.

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3. Diferentes clases de errores humanos: Hay varios tipos de defectos causados por errores humanos; se enlistan algunos a continuación: Tabla 12. Tipos de errores Tipos de error

Causas

Inadvertidos u olvidos

No advertimos cosas o bien las olvidamos cuando no estamos atentos

Desconocimiento o inexperiencia

Cuando no tenemos suficiente experiencia o bien no conocemos bien la situación, y así y todo tomamos acciones que pueden ser inadecuadas

Identificación

Identificamos mal una situación por apuro o por estar alejada de la misma

Voluntarios

Son aquellos que cometemos cuando decidimos ignorar las reglas

Lentitud

Cuando nuestras acciones son demasiado lentas con respecto a la situación

Falta de estándar

Cuando no hay pautas de trabajo o estándares, no sabemos a qué atenernos

Sorpresa

Ocurren cuando la situación es diferente a la que se da normalmente

Intencionales

Son los sabotajes

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4. Diferentes tipos de defectos Proceso omitido. Procesos defectuosos. Montaje de piezas defectuoso. Piezas omitidas. Piezas equivocadas. Proceso equivocado (proceso para otro ítem). Operación defectuosa. Ajuste defectuoso. Montaje del equipo defectuoso. Herramientas y/o útiles mal preparados. Tipos de inspección Para tener éxito en la reducción de defectos dentro de las actividades de producción, debemos entender que éstos son generados por el trabajo, y que toda inspección puede descubrirlos. Los tipos de inspección son: •

Inspección de criterio: es usada principalmente para descubrir defectos. Se debe tener amplio conocimiento de los procesos y consiste en: – Comparado con el estándar. – Muestreo o 100% inspección. – Los productos son comparados normalmente contra un estándar y los artículos defectuosos son descartados.

La principal suposición acerca de la inspección de criterio es que los defectos son inevitables y que inspecciones rigurosas son requeridas para reducir los defectos. Este enfoque, sin embargo, no elimina la causa o defecto. •

Inspección Informativa

Es utilizada para obtener datos y tomar acciones correctivas se apoyan en:

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– Autoinspección. – Inspección subsecuente. En la autoinspección la persona que realiza el trabajo verifica la salida y toma una acción correctiva inmediata. Algunas ventajas son: – Rápida retroalimentación. – Usualmente inspección al cien por ciento. – Más aceptable que crítica exterior. La desventaja es que la autoinspección es más subjetiva que la inspección del operador subsecuente. La inspección subsecuente se realiza de arriba hacia abajo y genera resultados de retroalimentación. Algunas ventajas son: Mejor que la autoinspección para encontrar defectos a simple vista. Promueve el trabajo en equipo Algunas de las desventajas son: Mayor demora antes de descubrir el defecto. El descubrimiento es removido de la causa raíz. •

Inspección en la fuente (Source inspection). Es utilizada en la etapa del error. Se enfoca en prevenir que el error se convierta en defecto.

La inspección en la fuente es utilizada para prevenir defectos, para su posterior eliminación. Este tipo de inspección esta basada en el descubrimiento de errores y condiciones que aumentan los defectos.

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Se toma acción en la etapa de error para prevenir que los errores se conviertan en defectos, no como resultado de la retroalimentación en la etapa de defecto. Si no es posible prevenir el error, entonces al menos se debe querer detectarlo. Defectos vs errores El primer paso para lograr cero defectos es distinguir entre errores y defectos. Defectos y errores no son la misma cosa: • •

Defectos son resultados. Errores son las causas de los resultados.

Error: acto mediante el cual, debido a la falta de conocimiento, deficiencia o accidente, nos desviamos o fracasamos en alcanzar lo que se debería se hacer. Funciones reguladoras Poka-yoke Existen dos funciones reguladoras para desarrollar sistemas Poka-yoke: •

Métodos de control

Existen métodos que cuando ocurren anormalidades apagan las máquinas o bloquean los sistemas de operación previniendo que siga ocurriendo el mismo defecto. Estos tipos de métodos tienen una función reguladora mucho más fuerte, que los de tipo preventivo, y por lo tanto este tipo de sistemas de control ayudan a maximizar la eficiencia para alcanzar cero defectos. No en todos los casos que se utilizan métodos de control es necesario apagar la máquina completamente, por ejemplo cuando son defectos aislados (no en serie) que se pueden corregir después, no es necesario apagar la maquinaria completamente, se puede diseñar un mecanismo que permita “marcar” la pieza

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defectuosa, para su fácil localización; y después corregirla, evitando así tener que detener por completo la máquina y continuar con el proceso. •

Métodos de Advertencia

Este tipo de método advierte al trabajador de las anormalidades ocurridas, llamando su atención, mediante la activación de una luz o sonido. Si el trabajador no se da cuenta de la señal de advertencia, los defectos seguirán ocurriendo, por lo que este tipo de método tiene una función reguladora menos poderosa que la de métodos de control. En cualquier situación los métodos de control son por mucho más efectivos que los métodos de advertencia, por lo que los de tipo control deben usarse tanto como sean posibles. El uso de métodos de advertencia se debe considerar cuando el impacto de las anormalidades sea mínimo, o cuando factores técnicos y/o económicos hagan de la implantación de un método de control una tarea extremadamente difícil. Clasificación de los métodos Poka yoke 1. 2.

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Métodos de contacto. Son métodos donde un dispositivo sensitivo detecta las anormalidades en el acabado o las dimensiones de la pieza, donde puede o no haber contacto entre el dispositivo y el producto. Método de valor fijo. Con este método, las anormalidades son detectadas por medio de la inspección de un número específico de movimientos, en casos donde las operaciones deben de repetirse un número predeterminado de veces. Método del paso-movimiento. Estos son métodos en el cual las anormalidades son detectadas inspeccionando los errores en movimientos estándares donde las operaciones son realizadas con movimientos predeterminados. Este método extremadamente efectivo tiene un amplio rango de aplicación, y la posibilidad de su uso debe de considerarse siempre que se esté planeando la implementación de un dispositivo Poka-yoke.

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Medidores utilizados en sistemas Poka-yoke Los tipos de medidores pueden dividirse en tres grupos: • • •

Medidores de contacto. Medidores sin contacto. Medidores de presión, temperatura, corriente eléctrica, vibración, número de ciclos, conteo, y transmisión de información.

En la tabla se puede observar que conforme la aplicación se torna más tecnológica, el costo también se incrementa. Lo que se necesita hacer es encontrar la solución al problema, no justificar la compra de un dispositivo muy costoso. Tabla 13. Comparación en la aplicación de distintos tipos de dispositivos contra errores Tipo

Fuente

Costo

Mantenimiento

Físico/ Mecánico

Empleados

Bajo

Muy bajo

Electro/ Mecánico

Especialistas

Más Alto

Bajo

ElectróNicos

Poco especialistas

Más Alto

Bajo pero Especializado

Las características principales de un buen sistema poka-yoke son: • • •

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Simples y baratos. Parte del proceso. Puestos cerca o en el lugar donde ocurre el error.

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Estos sistemas deben diseñarse a “Prueba de Errores o Mistake Proofing” que es un enfoque del control de calidad que busca eliminar la posibilidad de que se comentan errores. Para conseguirlo, debemos considerar los siguientes aspectos: – – – – –

Hacer más difíciles las acciones equivocadas o erróneas. Hacer posible que las acciones erróneas sean revertidas (corregidas). Evitar las acciones que no puedan ser corregidas o hacerla imposibles. Hacer más fácil la detección de errores. Convertir las acciones erróneas en acertadas.

Esto debe ser realizado, por supuesto, a nivel de diseño de productos y de procesos, así como de maquinarias y equipos, y también del puesto de trabajo; por lo cual podemos considerarlo un antecesor del qfd (Quality Function Deployment o despliegue de la función de calidad).En el diseño de productos; ejemplo: Trate de introducir un diskette 3.5” en su computadora, pero invertido. No entra. Eso es resultado de un enfoque a prueba de errores en el diseño de este disquete. Un ejemplo similar es el del encendido de un auto: usted nunca podrá dejar el auto encendido si saca la llave del auto. En los casos anteriores es imposible que se cometa el error. Pero también hay ejemplos en los que el producto debe darle la posibilidad de llevar a cabo algo que a veces no es un error. Por ejemplo, en muchos modelos de autos, si usted apaga el auto y abre la puerta dejando las luces encendidas, escuchara una alarma. En este caso no es imposible ya que puede darse el caso de que realmente usted desea dejar las luces encendidas. En los procesos también pueden incorporarse elementos a prueba de errores, como un caso sencillo en el que un operario debe introducir dos tornillos en un aparato: como con las horas de trabajo y la costumbre, el operario labora

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mecánicamente y “con la mente en otro lado”, si tiene a su lado un saco con cientos de tornillos, puede darse el caso de que alguna vez olvide poner uno de los dos. Si se amplia el proceso y se hace que el operario deba retirar dos tornillos de la bolsa, ponerlos en un pequeño plato y luego introducirlos en el producto. El operario sólo pasará el producto al siguiente paso si en el plato no hay tornillos, lo cual garantiza que los dos fueron puestos. Tres tipos de inspección, según Shigeo Shingo • •

•

Inspección de juicio: la inspección de juicio es aquella que consiste en separar los productos defectuosos de aquellos aceptables en base a juicios de valor. Inspección informativa: ésta inspección es aquella en la se utiliza información obtenida de la inspección de los procesos para prevenir los defectos. El control estadístico de la calidad se basa fundamentalmente en este tipo de inspecciones. También los chequeos sucesivos y los autochequeos, utilizados en el cero control de calidad son inspecciones informativas. Inspección en la fuente: este tipo de inspección es aquella que determina antes del hecho, si las condiciones son las adecuadas para que exista un alto nivel de calidad. Por ello, es el método ideal ya que obtenemos la información de calidad antes de que se lleve a cabo el siguiente paso del proceso. Autochequeos

Tanto los autochequeos como los chequeos sucesivos son utilizados para proveer retroalimentación rápida sobre los resultados (output) de un proceso. Son un tipo rudimentario de inspección en el software, que se utiliza cuando la posibilidad de desarrollar un producto más sofisticado no es posible o cuando no se entiende suficientemente el proceso para desarrollarlos.

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Este tipo de dispositivos forman parte de Poka-yoke y son muy usados dentro de Zero Quality Control. Muchas veces hemos oído hablar de la necesidad de disminuir los defectos. Sabemos que esto es muy importante para que nuestra compañía satisfaga a los clientes y por ende se mantenga y prospere. También, hemos escuchado hablar del cero defecto, pero pensamos que esto es imposible, o que sólo pueden aplicarlo compañías grandes o pueblos con una idiosincrasia muy distinta a la nuestra. Ahora bien, ¿esto es cierto, o estaremos huyendo por la tangente? Pensemos en la innumerable cantidad de cosas que son lisa y llanamente imposibles de ocurrir, por ejemplo: ¿Qué probabilidad hay de que se caiga algo que ya está en el suelo? ¿Qué probabilidad hay de tirar una piedra al aire con la mano, y que la misma no vuelva a caer? ¿Qué probabilidad hay de que si rompo una botella con agua, la misma no se derrame? ¿Qué probabilidad hay que la botella del ejemplo anterior se repare en forma espontánea? ¿Qué probabilidad hay de abrir una puerta en el sentido inverso al de su marco? Todos los ejemplos anteriores presentan algo en común, y este algo, es que no se puede dar el defecto bajo ninguna circunstancia, y lo que es más interesante, no se necesita de la atención humana, para que esto suceda, ya que el cero defecto en estos casos viene por definición o por diseño. La clave entonces, está en buscar dispositivos, y aplicar las leyes o principios de la naturaleza para no necesitar de la atención humana, porque los defectos vienen por errores humanos.

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Ejemplos reales de Poka-yokes

1. Situación: se estaba desarrollando un Soft estadístico, en el cual había ciertos campos que debían ser llenados por el usuario, dentro de un rango de valores predeterminados. Problema: el usuario olvidaba llenar algún campo, o bien incluía valores diferentes a los predeterminados. El programa corría igual pero los valores finales no eran correctos. Solución siguiendo la lógica convencional: el programador hizo un manual para el usuario donde se explicaba como se debía llenar cada campo. Como era de esperar los problemas disminuyeron pero aún aparecían. Solución basada en el concepto de cero defecto/Poka-yoke: en realidad la solución definitiva se alcanzó al segundo intento. Aquí voy a describir ambas, a fin de ilustrar que cosas se deben tratar de evitar: a) El programador agregó una secuencia lógica, tal que si el usuario olvidaba de llenar un campo, o bien lo hacia con valores fuera de los predeterminados, aparecía una leyenda que alertaba sobre la situación anómala. El conflicto radicaba, en que aún así el programa corría igual, por lo que el error podía todavía ser cometido, con lo que no se aseguraba el cero defecto. Era un Poka-yoke de confiabilidad. b) El programador agregó a la misma secuencia lógica del punto anterior, un enclave, de manera tal, que además de aparecer una leyenda, el programa no permitía seguir adelante hasta tanto no se colocaran los valores en forma adecuada. A partir de ese momento la probabilidad de error es de cero absoluto. 2. Situación: un gerente todas las mañanas tenía que armar un informe operativo, y en función de este tomar ciertas acciones. Problema: como los datos estaban en diferentes informes y bases, era bastante común que olvidara algunos. Por otra parte tenía que tener en mente para cada

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uno de los datos, cuales eran los valores que ameritaban tomar acciones, lo que también llevaba a cometer errores. Solución siguiendo la lógica convencional: se hizo una lista de chequeo, y una tabla con los valores límite para cada uno de los datos. Los olvidos y equivocaciones disminuyeron, pero seguían apareciendo cada tanto. Solución basada en el concepto de cero defecto/Poka-yoke: se desarrolló un programa de computación, que en forma automática, buscaba los datos en los diferentes informes y bases. A este programa se le agregaron fórmulas lógicas, tal que sólo mostraba (salvo que se pidiera adrede lo contrario) aquellos datos que estaban fuera de ciertos rangos especificados. A partir de ese momento, la posibilidad de olvidarse datos, o de no tomar acciones por no recordar los valores límite bajo a cero absoluto. 3. Situación: se debían ensayar unas piezas a un ciclo térmico en un horno. Problema: el resultado final era totalmente dependiente del tiempo de permanencia de las piezas dentro del horno, el que no importaba que fuera mayor a un cierto valor, pero que no debía ser menor. Si bien había un reloj que indicaba el tiempo de permanencia de las piezas dentro del horno, era común que el operario cuando estaba apurado, las retirara antes de tiempo, con el consiguiente falseamiento de los datos. Solución siguiendo la lógica convencional: se pusieron carteles indicativos en la puerta del horno (visual factory) y se realizó una campaña de concientización del personal. Los resultados obtenidos no variaron sustancialmente con respecto a la situación original. Solución basada en el concepto de cero defecto/Poka-yoke: se desarrolló una cerradura eléctrica conectada con el reloj del horno, de manera tal que una vez que el operario ponía las piezas a ciclar térmicamente, el horno permanecía cerrado y era imposible abrirlo antes de tiempo. A partir de allí la cantidad

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de piezas sacadas antes de tiempo del ensayo de ciclado térmico bajo a cero absoluto. Como seguridad adicional se agregó, un censor de tal manera que si la cerradura no funcionaba el horno no arrancaba y se prendía una luz y una sirena de advertencia. 4. Situación: los soportes (gancheras) de unas piezas, debían permanecer un determinado tiempo, y debían ser retirados en una determinada secuencia de un baño de galvanoplastía, con el fin de obtener un espesor de capa correcto. (Véase esquema 3). Problema: el resultado final era totalmente dependiente del tiempo de permanencia de las piezas dentro del baño. Como el que operaba las gancheras era un hombre, sucedía con mucha frecuencia, que las sacaba fuera de tiempo o bien fuera de secuencia. Solución siguiendo la lógica convencional: se realizó una campaña de concientización del personal. Los resultados obtenidos no variaron sustancialmente con respecto a la situación original. Solución basada en el concepto de cero defecto/Poka-yoke: se desarrolló un dispositivo, accionado por un motor paso a paso, que mantenía bloqueadas las gancheras contra la barra catódica, salvo aquella que debía ser retirada por el operador. Con esto se logró llevar a cero absoluto la probabilidad de retirar la ganchera antes de tiempo o en una secuencia equivocada. 5. Situación: en el baño del ejemplo anterior, la concentración del mismo era de suma importancia para las propiedades de la capa depositada. Problema: el responsable de mantener el baño en concentración era un hombre; el que con ciertos intervalos de tiempo le agregaba una cantidad de aditivos al baño. Con bastante frecuencia erraba en la cantidad de agregados o no hacía los mismos.

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Solución siguiendo la lógica convencional: se realizó una campaña de concientización del personal. Los resultados obtenidos no variaron sustancialmente con respecto a la situación original. Solución basada en el concepto de cero defecto/Poka-yoke: se aprovechó el motor paso a paso del ejemplo anterior para accionar un timer. El mismo comandaba un dispositivo que de manera automática dosificaba la cantidad necesaria en el momento necesario. Como seguridad adicional se agregó un nivel en el tanque del dispositivo automático, de manera tal que si el mismo bajaba de un cierto valor sonaba una alarma y paralelamente bloqueaba el motor paso a paso; lo que no permitía seguir trabajando, hasta que no se agregara aditivo al tanque del dispositivo automático de dosificación. A partir de ese momento los problemas por falta o inadecuado agregado de aditivos, se bajaron a cero absoluto. 6. Situación: en una oficina administrativa, al finalizar el día, se debía correr un programa que en base a los movimientos diarios, calculaba una serie de datos para ser usados el día siguiente a primera hora. Problema: el programa no se podía hacer correr hasta que se cerraba el día, ya que de lo contrario arrojaba resultados falsos. La persona encargada de esta operación, en algunas ocasiones olvidaba hacerla y en otras se debía retirar antes de terminar el día con todas las complicaciones que ello traía al tener que delegar esa tarea a otra persona. Solución siguiendo la lógica convencional: se pusieron listas de chequeo, y se hizo un instructivo de los pasos a seguir, en caso de que la persona encargada no estuviera. Los olvidos y equivocaciones disminuyeron pero seguían apareciendo cada tanto. Solución basada en el concepto de cero defecto/Poka-yoke: la solución a este problema fue realmente muy sencilla, lo que demuestra claramente que no siempre es necesario hacer grandes inversiones. La compañía trabajaba hasta las 18:00 horas y retomaba las actividades a las 06:00, la corrida del programa

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no tardaba más de 10 minutos. La gente de sistemas trabajó el programa de manera que este se corriera en forma automática a las 05:00 horas. Se tomó ese horario en previsión de que tal vez en un futuro, la planta debiera trabajar doble turno o turno extendido. A partir de ese momento la probabilidad de que en a la mañana no se tuvieran los datos por olvido de correr el programa o por error, bajó a cero absoluto. 7. Situación: en una línea de armado el operario entre otras tareas, debía colocar en el producto un inserto con el logo de la compañía. Problema: el inserto se podía colocar en cualquier posición. Era bastante común que salieran productos con el logo “patas para arriba o hacía los costados”, lo cual no afectaba en absoluto la operatoria del producto, pero dejaba una “imagen” poco feliz. Solución siguiendo la lógica convencional: se pusieron hojas de proceso con fotos (visual factory), y se realizó una campaña de concientización del personal. Las equivocaciones disminuyeron pero reaparecían, cada tanto. Solución basada en el concepto de cero defecto/Poka-yoke: el logo era cuadrado y plano. Se modificó el molde de inyección del logo y del frente del Producto de manera tal que el agujero del frente y el logo fueran ligeramente rectangulares. De esta manera ya no era posible colocar el logo con las letras mirando hacia los costados. En la misma modificación de los moldes se agregó un tetón descentrado en la parte de atrás del logo, y un agujero hermanado en el encastre del frente del producto. A partir de estas modificaciones, la probabilidad de colocar el logo en forma inadecuada bajo a cero absoluto. 8. Situación: en una línea de embalado, había tres tipos diferentes de contenedores, donde se embalaban piezas de un mismo tipo. Los contenedores eran propiedad del cliente, y cada tipo cargaba una cantidad diferente de piezas.

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Problema: el cliente se quejaba de diferencias de cantidad, entre lo que manifestaban los remitos y lo que realmente recibía. Si bien a largo plazo las cantidades coincidían, en el corto no, y esto le generaba problemas de stock y programación en su línea de producción. La causa era que los operarios confundían los contenedores entre sí. Solución siguiendo la lógica convencional: se realizó una campaña de concientización del personal a fin de que prestaran más atención a las cantidades colocadas en cada contenedor. Los resultados obtenidos no variaron sustancialmente con respecto a la situación original. Solución basada en el concepto de cero defecto/Poka-yoke: los 3 tipos de contenedores tenían todos los mismos anchos y profundidad, pero diferente altura. Cada tipo de contenedor pesaba lleno de piezas, un valor diferente, la solución al problema vino de la mano de esto. En el sector de embalado ya se poseía una balanza, por otro lado se modificó el soft de despacho (para esta pieza y cliente) de manera tal que había que ingresar como dato el peso, y dicho soft transformaba automáticamente el peso en cantidades. Ya anteriormente el soft de despacho tenía incorporado un anclaje tal que si faltaban datos, no se permitía la emisión del remito. A partir de la introducción de esta modificación en el soft de despacho las cantidades que recibía el cliente, y las que manifestaban los remitos coincidían, lográndose el cero absoluto. 9. Situación: en un laboratorio de ensayos un operador realizaba en forma rutinaria un mismo tipo de ensayo durante varias horas, sobre muestras de un elemento líquido. Problema: el resultado del ensayo es fuertemente dependiente del volumen de la muestra colocada para ensayar. El operador tomaba muestras con una pipeta, y ponía en la máquina de ensayo una cantidad determinada de gotas, y luego ponía a funcionar la máquina, la que en forma automática realizaba el ensayo. Era bastante común, que luego de varias horas de trabajo el operador

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equivocara la cantidad de gotas colocadas, con el consiguiente falseamiento de los resultados. Solución siguiendo la lógica convencional: se realizó una campaña de concientización del personal a fin de que prestara más atención. Los resultados obtenidos no variaron sustancialmente con respecto a la situación original. Solución basada en el concepto de cero defecto/Poka-yoke: el problema se solucionó, colocando un dispositivo dentro de la máquina de ensayo, el cual tenía un volumen igual al que se debía ensayar. El operador debía llenar este dispositivo, hasta que el mismo rebalsara. Paralelamente había un censor de rebalse, y si este no se producía la máquina de ensayo no operaba. Al aplicar esto, se logró que la probabilidad de que el operador se equivocara en el volumen colocado a ensayar fuera de cero absoluto. 10. Situación: en una empresa alimenticia, había un gran y pesado portón que se usaba para retirar el producto terminado. Problema: era bastante común, encontrar el portón abierto de par en par, con los consiguientes inconvenientes de cara a la obtención de la adecuada barrera sanitaria. Solución siguiendo la lógica convencional: se realizó una campaña de concientización del personal a fin de que prestara más atención, y se colocaron carteles advirtiendo sobre la necesidad de mantener cerrado el portón. Los resultados obtenidos no variaron sustancialmente con respecto a la situación original. Solución basada en el concepto de cero defecto/Poka-yoke: ya se habían tratado en el pasado de poner cierra puertas automáticas. El problema era que el portón era muy pesado, y en poco tiempo los modelos convencionales se rompían. El tema se solucionó, modificando el portón de manera tal que en vez de abrir rotando sobre un gozne, se deslizara sobre un riel. Ese riel tenía un ligero desnivel, y un contrapeso atado al portón, de manera tal que cuando la persona soltaba el portón el mismo se cerraba solo. A partir de esta modificación

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no se encontró nunca más la puerta abierta, logrando de esta manera el cero absoluto. Conclusiones: Podemos ver la relación que hay entre los ejemplos de la naturaleza o de la vida diaria que mencionamos en la introducción, y las soluciones encontradas a lo largo de los ejemplos reales desarrollados en el apartado anterior. Esta relación está asociada con utilizar para nuestro provecho leyes físicas o dispositivos que hagan imposible la aparición del error, y por lo tanto del defecto. Ahora bien, atención, no es cuestión de salir a colocar Poka-yoke, a diestra y siniestra, recordemos que esta herramienta, como todas las de calidad, es sólo un medio para hacer de nuestra compañía más competitiva y no un fin en sí mismo. De acuerdo a los ejemplos desarrollados, encontramos dos cosas en común y si bien hay que estudiar cada caso en particular, la tabla 14 resume la conveniencia del uso de los Poka-yoke. Tabla 14. Conveniencia de uso de los Poka-yoke

Proceso hombre dependiente

Sí

Proceso muy repetitivo

Sí

Conveniencia del uso de los Poka-yoke

Muy alta

Media alta

Media baja

baja

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5.3. HERRAMIENTAS DE MEJORA CONTINUA Planificación agregada La planificación en las empresas es un proceso por el cual cada uno de los departamentos organiza sus recursos en el tiempo con el objeto de optimizar su uso y conseguir así el mayor beneficio posible para la empresa. Existen diferentes niveles de planificación en función del horizonte de tiempo para el que se toman las decisiones. El objetivo en esta asignatura se centra en los niveles intermedios, dejando los niveles superiores para otras asignaturas y los más operativos para la organización de la producción. Si bien la planificación es una problemática común a todas las empresas, no se ha resuelto de forma sistemática dado el gran número de variables que afectan a las decisiones que se deben tomar y que hacen muy difícil la automatización de estos procesos de decisión. La planificación agregada se sitúa en los niveles intermedios de planificación y se analizará en este capítulo. Filosofías de Mejora La cultura oriental ha exportado parte de sus conocimientos al resto del mundo: artes marciales, religión, comida. En el entorno empresarial Japón ha aportado numerosas herramientas y la filosofía de mejora de la producción, denominada justo a tiempo (jit por sus siglas en inglés). Algunos indicadores como la productividad o el plazo de entrega se ven afectados directamente por la forma en que están dispuestas, dentro de la fábrica, las máquinas y los departamentos auxiliares de producción, logística, calidad, mantenimiento, etcétera.

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En este tema se analizan los diferentes tipos de procesos industriales existentes y la distribución en planta de que dispone cada uno de ellos. El cambio de ubicación de los recursos (o de la empresa completa) es un proyecto que, tarde o temprano, abordan todas las empresas, por lo que resulta importante conocer las técnicas para llevar a cabo un estudio de redistribución en planta. Las tendencias de gestión basadas en la división en mini fábricas o células de trabajo independientes realizan la ubicación de los recursos productivos, para que la gestión independiente sea un hecho. En el capítulo anterior se presentaron las células de fabricación como un caso particular de la distribución por producto. Sin embargo, los requisitos que exige la transformación de la fábrica en células trascienden las barreras de un proyecto de distribución en planta y merece ser tratado de forma independiente. A la hora de diseñar la línea es importante saber cómo repartir las tareas necesarias para fabricar el producto de la mejor forma posible. Ahorrar una estación de trabajo en línea, debido a un mejor reparto de las tareas, supone reducir el tiempo necesario para completar un producto, el inventario en proceso, los costes de mano de obra, etcétera. Distribución en planta Algunos indicadores como la productividad o el plazo de entrega se ven afectados directamente por la forma en que están dispuestas, dentro de la fábrica, las máquinas y los departamentos auxiliares a producción (logística, calidad, mantenimiento). En este tema se analizan los diferentes tipos de procesos industriales existentes y la distribución en planta de que dispone cada uno de ellos. El cambio de ubicación de los recursos (o de la empresa completa) es un proyecto que, tarde o temprano, abordan todas las empresas, por lo que resulta

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importante conocer las técnicas para llevar a cabo un estudio de redistribución en planta. Las tendencias de gestión basadas en la división en mini fábricas o células de trabajo independientes necesitan de nuevas ubicaciones de los recursos productivos para que la gestión independiente sea un hecho. Diseño de células de fabricación En el capítulo anterior se presentaron las células de fabricación como un caso particular de la distribución por producto. Sin embargo, los requisitos que exige la transformación de la fábrica en células trascienden las barreras de un proyecto de distribución en planta y merece ser tratado de forma independiente. Por otro lado, la creación de células dedicadas a la fabricación de una familia de productos, posibilita la transformación de la empresa en un conjunto de mini fábricas autogestionadas, utilizando nuevas herramientas de mejora orientadas a preparar la empresa para evolucionar en su gestión. A la hora de diseñar la línea es importante saber cómo repartir las tareas necesarias para fabricar el producto de la mejor forma posible. Ahorrar una estación de trabajo en la línea, debido a un mejor reparto de las tareas, supone reducir el tiempo necesario para completar un producto, el inventario en proceso, los costes de mano de obra. Mantenimiento El departamento de mantenimiento se ocupa de la conservación de todos los equipos (productivos y no productivos) de la empresa. Considerado, en la mayoría de las empresas, como un centro de costes, la gestión de este departamento es compleja, ya que las inversiones para mejorar sus procesos internos no suelen estar entre las primeras.

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La evolución histórica del mantenimiento corresponde, casi exactamente, con la evolución de las técnicas de mantenimiento en una empresa. Así, en un primer momento este departamento se ocupa, únicamente, de solucionar los problemas que van apareciendo en los equipos. Después, se intenta evitar que los equipos se averíen. La incorporación de las tareas básicas de mantenimiento en las labores cotidianas del personal de producción, o la posibilidad de predecir las averías, preocupan a las empresas más avanzadas de este ámbito.

5.4. Cambios rápidos de herramientas La necesidad de fabricar series de productos cada vez más pequeñas se ha generalizado en los últimos años debido a la adopción de filosofías que exigen entregas de productos en plazos cada vez menores. Las empresas deben ser flexibles, en muchos casos, debido a la falta de interés de controlar los tiempos de cambio de las máquinas, resulta muy difícil lograr esta meta. La técnica de cambios rápidos de herramientas (smed, por sus siglas en inglés) es una metodología clara, fácil de aplicar que consigue resultados de forma rápida y, en algunos casos, sorprendentes. El orden y la definición de métodos de trabajo estándares son los pilares de esta técnica, desarrollada por Shingo en Japón a mediados del siglo xx. Con esta metodología, además, es posible conseguir resultados positivos sin apenas inversión, lo que favorece su implantación, tales como: “Las 5’S”, último aspecto que se analizará en este libro; correspondiente al entorno de trabajo.

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En los últimos años ha proliferado el número de proyectos de implantación de una metodología denominada “Las 5’S” que corresponden a un programa de orden y limpieza industrial. Las ideas que se manejan son básicas y de sentido común, pero lo cierto es que en la mayoría de las empresas no se respetan los principios del orden y la limpieza. Estudio de métodos El segundo indicador de la eficiencia del equipo está relacionado, por un lado con la pérdida del rendimiento del equipo debido a pequeñas paradas que no se suelen registrar y, por otro lado, con la reducción de velocidad ocasionada por el deterioro o desgaste del equipo. Estas paradas pueden ser debidas a pequeñas averías o atascos en los dispositivos de la máquina y también por problemas de ajuste del ciclo del operario y de la máquina. El estudio de métodos permite optimizar la relación entre el operario y la máquina y permite el manejo multiproceso en aquellos casos en los que el ciclo de la máquina es elevado frente al del operario. La herramienta principal de este capítulo es el diagrama operario máquina, que posibilita estudiar la relación entre el ciclo del operario y el de la máquina, eliminar los tiempos muertos y optimizar el ciclo. ¿Qué es la técnica de cambios rápidos de herramientas? Se ha definido a los cambios rápidos de herramientas como la teoría y técnicas diseñadas para realizar las operaciones de cambio en menos de 10 minutos. Este sistema nació por la necesidad de lograr la producción jit, una de las piedras angulares del sistema Toyota de fabricación y fue desarrollado para acortar los tiempos de la preparación de máquinas, intentando hacer lotes de menor tamaño.

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En contra de los pensamientos tradicionales el Ingeniero japonés Shigeo Shingo señaló que tradicional y erróneamente, las políticas de las empresas en cambios de utillaje, se han dirigido hacia la mejora de la habilidad de los operarios y pocos han llevado a cabo estrategias de mejora del propio método de cambio. El éxito de este sistema comenzó en Toyota, consiguiendo una reducción del tiempo de cambios de matrices de un periodo de una hora cuarenta minutos a tres minutos. Su necesidad surge cuando el mercado demanda una mayor variedad de producto y los lotes de fabricación deben ser menores; en este caso para mantener un nivel adecuado de competitividad, o se disminuye el tiempo de cambio o se siguen haciendo lotes grandes y se aumenta el tamaño de los almacenes de producto terminado, con el consiguiente incremento de costes. Esta técnica está ampliamente validada y su implantación es rápida y altamente efectiva en la mayor parte de las máquinas e instalaciones industriales. ¿Qué entendemos por cambio de utillaje en una máquina? Es el conjunto de operaciones que se desarrollan desde que se detiene la máquina para proceder al cambio de lote hasta que la máquina empieza a fabricar la primera unidad del siguiente producto en las condiciones especificadas de tiempo y calidad. El intervalo de tiempo correspondiente es el tiempo de cambio. ¿para qué sirve? Esta técnica permite disminuir el tiempo que se pierde en las máquinas e instalaciones debido al cambio de utillaje necesario para pasar de producir un tipo de producto a otro. Algunos de los beneficios que aporta esta herramienta son: • •

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Reducir el tiempo de preparación y pasarlo a tiempo productivo. Reducir el tamaño del inventario.

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• •

Reducir el tamaño de los lotes de producción. Producir en el mismo día varios modelos en la misma máquina o línea de producción.

Esta mejora en el acortamiento del tiempo aporta ventajas competitivas para la empresa ya que no tan sólo existe una reducción de costos, sino que aumenta la flexibilidad o capacidad de adaptarse a los cambios en la demanda. Al permitir la reducción en el tamaño de lote colabora en la calidad ya que al no existir stocks innecesarios no se pueden ocultar los problemas de fabricación. Algunos de los tiempos que tenemos que eliminar aparecen como despilfarros, habitualmente de la siguiente forma: – Los productos terminados se trasladan al almacén con la máquina parada. – El siguiente lote de materia prima se trae del almacén con la máquina parada. – Las cuchillas, moldes, matrices, no están en condiciones de funcionamiento. – Algunas partes que no se necesitan se llevan cuando la máquina todavía no está funcionando. – Faltan tornillos y algunas herramientas no aparecen cuando se necesitan durante el cambio. – El número de ajustes es muy elevado y no existe un criterio en su definición. La técnica de cambios rápidos de herramientas, asociada al proceso de mejora continua, va a tratar de eliminar todos estos desperdicios. ¿Cómo funciona? Para entender la importancia de esta técnica con un ejemplo sencillo podemos plantearnos que, en nuestro caso y como conductores, cambiar una rueda de nuestro vehículo en 15 minutos es aceptable, sin embargo la elevada competencia y la continua pugna por el ahorro de tiempos ha llevado a los preparadores de Fórmula 1 a hacer ese cambio en siete segundos.

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Como caso genérico partiremos de la base de que con esta técnica puede reducirse el tiempo de cambio 50% sin inversiones importantes. Para ello Shigeo Shingo en 1950 descubrió que había dos tipos de operaciones al estudiar el tiempo de cambio en una prensa de 800 toneladas: • •

Operaciones internas: aquellas que deben realizarse con la máquina parada. Operaciones externas: pueden realizarse con la máquina en marcha.

El objetivo es analizar todas estas operaciones, clasificarlas, y ver la forma de pasar operaciones internas a externas, estudiando también la forma de acortar las operaciones internas con la menor inversión posible. Una vez parada la máquina, el operario no debe apartarse de ella para hacer operaciones externas. El objetivo es estandarizar las operaciones de modo que con la menor cantidad de movimientos se puedan hacer rápidamente los cambios, de tal forma que se vaya perfeccionando el método y forme parte del proceso de mejora continua de la empresa. La aplicación de sistemas de cambio rápido de utillaje se convierte en una técnica de carácter obligado en aquellas empresas que fabriquen series cortas y con gran diversidad de referencias. Tradicionalmente el tamaño de los lotes ha sido el siguiente: • • •

Lote pequeño: 500 piezas o menos. Lote medio: 501-5 000 piezas. Lote grande: más de 5 000 piezas.

Actualmente se exigen lotes pequeños y la frecuencia de entregas es menor. En ocasiones se produce en exceso para evitar defectuosos, aumentando los inventarios.

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¿Cómo se aplica? Etapas conceptuales

La implantación de la técnica cambios rápidos de herramientas consta de cuatro etapas. Tabla 15. Etapas conceptuales Etapas

Actuación

Etapa preliminar

Estudio de la operación de cambio

Primera etapa

Separar tareas internas y externas

Segunda etapa

Convertir tareas internas en externas

Tercera etapa

Perfeccionar las tareas internas y externas

Etapa preliminar

Lo que no se conoce no se puede mejorar, por ello en esta etapa se realiza un análisis detallado del proceso inicial de cambio con las siguientes actividades: • – – • – – – – –

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Registrar los tiempos de cambio. Conocer la media y la variabilidad. Escribir las causas de la variabilidad y estudiarlas. Estudiar las condiciones actuales del cambio. Análisis con cronómetro. Entrevistas con operarios (y con el preparador). Grabar en vídeo. Mostrarlo después a los trabajadores. Sacar fotografías.

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Esta etapa es más útil de lo que se cree y el tiempo que invirtamos en su estudio puede evitar posteriores modificaciones del método al no haber descrito la dinámica de cambio inicial de forma correcta. a) Primera etapa: separar las tareas internas y externas. En esta fase se detectan problemas de carácter básico que forman parte de la rutina de trabajo: – Se sabe que la preparación de las herramientas, piezas y útiles no debe hacerse con la máquina parada, pero se hace. – Los movimientos alrededor de la máquina y los ensayos se consideran operaciones internas. Es muy útil realizar una lista de comprobación con todas las partes y pasos necesarios para una operación, incluyendo nombres, especificaciones, herramientas, parámetros de la máquina, etcétera. A partir de esa lista realizaremos una comprobación para asegurarnos de que no hay errores en las condiciones de operación, evitando pruebas que hacen perder el tiempo. b) Segunda etapa: convertir tareas internas en externas. La idea es hacer todo lo necesario en preparar troqueles, matrices, punzones, etcétera, fuera de la máquina en funcionamiento para que cuando ésta se pare se haga el cambio necesario, de modo de que pueda comenzar a funcionar rápidamente. – Reevaluar para ver si alguno de los pasos está erróneamente considerado como interno. – Prerreglaje de herramientas. – Eliminación de ajustes: las operaciones de ajuste suelen representar 50 a 70% del tiempo de preparación interna. Es muy importante reducir este tiempo de ajuste para acortar el tiempo total de preparación. Esto significa que se tarda un tiempo en poner a andar el proceso de acuerdo a la nueva especificación requerida.

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Los ajustes normalmente se asocian con la posición relativa de piezas y troqueles, pero una vez hecho el cambio se demora un tiempo en lograr que el primer producto bueno salga bien. Se llama ajuste en realidad a las no conformidades que a base de prueba y error van llegando hasta hacer el producto de acuerdo a las especificaciones (además se emplea una cantidad extra de material). Partiremos de la base de que los mejores ajustes son los que no se necesitan, por eso se recurre a fijar las posiciones. Se busca recrear las mismas circunstancias que la de la última vez. Como muchos ajustes pueden ser hechos como trabajo externo se requiere fijar las herramientas. Los ajustes precisan espacio para acomodar los diferentes tipos de matrices, troqueles, punzones o utillajes por lo que requiere espacios estándar. c) Tercera etapa: perfeccionar las tareas internas y externas. El objetivo de esta etapa es perfeccionar los aspectos de la operación de preparación, incluyendo todas y cada una de las operaciones elementales (tareas externas e internas). Algunas de las acciones encaminadas a la mejora de las operaciones internas más utilizadas por el sistema de cambios rápidos de herramientas son: – Implementación de operaciones en paralelo. Estas operaciones que necesitan más de un operario ayudan mucho a acelerar algunos trabajos. Con dos personas una operación que llevaba 12 minutos no será completada en 6, sino quizás en 4 gracias a los ahorros de movimiento que se obtienen. El tema más importante al realizar operaciones en paralelo es la seguridad. – Utilización de anclajes funcionales. Son dispositivos de sujeción que sirven para mantener objetos fijos en un sitio con un esfuerzo mínimo.

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Todas estas etapas culminan en la elaboración de un procedimiento de cambio que pasa a formar parte de la dinámica de trabajo en mejora continua de la empresa y que opera de acuerdo al siguiente esquema iterativo de trabajo: 1. 2. 3. 4. 5.

6. 7. 8. 9.

Elegir la instalación sobre la que actuar. Crear un equipo de trabajo (operarios, jefes de sección, otros). Analizar el modo actual de cambio de utillaje. Filmar un cambio. Reunión del equipo de trabajo para analizar en detalle el cambio actual. Reunión del equipo de trabajo para determinar mejoras en el cambio: Clasificar y transformar operaciones internas en externas. Evitar desplazamientos, esperas y búsquedas, colocando todo lo necesario al lado de máquina. Secuenciar adecuadamente las operaciones de cambio. Proporcionar útiles y herramientas que faciliten el cambio. Secuenciar mejor las órdenes de producción. Definir operaciones en paralelo. Simplificar al máximo los ajustes. Definir un nuevo modo de cambio. Probar y filmar el nuevo modo de cambio. Perfeccionar la definición del cambio rápido, convertir en procedimiento. Extender al resto de máquinas del mismo tipo.

(Los pasos 7 a 9 son recursivos. El tiempo de cambio se puede ir acortando por fases). Ejemplo de aplicación en prensas

A modo de ejemplo, se desglosan a continuación un conjunto de reglas aplicables a prensas para lograr disminuir los tiempos de cambio, siendo extrapolables a otro tipo de máquinas con sus peculiaridades: •

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Situar a pié de máquina el nuevo utillaje y sus herramientas mientras la prensa está todavía operando el lote anterior (pasar operaciones internas a externas).

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•

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El operario deja el utillaje usado a pié de máquina cuando hace el cambio y comienza a trabajar con el nuevo lote; otra persona se encargará de evacuarlo a su almacén mientras la prensa está operando (pasar operaciones internas a externas). Dotar a las máquinas de bobina de doble alimentador, de tal manera que se pueda colocar una segunda bobina mientras la primera está en operación (es una inversión que permite flexibilizar el sistema productivo). En algún caso, dotar a las prensas de una mesa de rodillos para la entrada de molde y de otra para la salida. De esta forma, el molde entrante se sitúa en la mesa de entrada y cuando se hace el cambio, el molde saliente se empuja hasta la mesa de salida y el entrante se empuja hasta el interior de la máquina (es una inversión que permite flexibilizar el sistema productivo). Planificación de los cambios, de tal manera que al principio del turno, se sepa a que hora será necesario realizar qué cambio en qué máquina. De esta forma se dispone de un margen amplio de tiempo para colocar antes del cambio el molde a pié de máquina. Si a las 6:00 se sabe que tal máquina requiere un cambio a tal molde a las 8:30, se dispone de dos horas y media para en cualquier momento dejar todo disponible (esta es una mejora de método). Entrenar a los operarios en una correcta ejecución del cambio y realizar un seguimiento exhaustivo del tiempo que se tarda en hacerlo, de tal forma que fijado un objetivo coherente, este se cumpla y mantenga a lo largo del tiempo (es una mejora de método). Modificar los moldes para conseguir eliminar operaciones de ajuste (ésta es una inversión algo más cara que antes de lanzarla se debería evaluar).

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Resultados y objetivos En la metodología tradicional de trabajo para la aplicación del sistema de cambios rápidos de herramientas se crean grupos de trabajo con el personal implicado en el manejo de las máquinas y en su cambio de utillaje. Se les plantean reuniones de trabajo en las se van definiendo las mejoras a implantar en el modo de cambio. De esta forma, se plantea a los trabajadores el desafío de lograr una fuerte reducción del tiempo de cambio. A medida que estos trabajadores van colaborando, hacen suyas las propuestas y los logros, por lo que en su momento son quienes mejor defienden el nuevo modo de trabajo. Esto implica dedicación en horas de reuniones asignadas al efecto y a la formación de los operarios. Como se ha comentado, es importante orientar el proyecto de cambios rápidos de herramientas hacia la mejora continua. En ese sentido, hay que destacar que gran parte del potencial de mejora de esta técnica está asociado a la planificación, puesto que gran parte del tiempo se pierde pensando en lo que hay que hacer después o esperando a que la máquina se detenga. Planificar las siguientes tareas reduce el tiempo de cambio y supone un punto de partida importante: – – – – –

El orden de las operaciones. Cuando tienen lugar los cambios. Que herramientas y equipamiento es necesario. Que personas intervendrán. Los materiales de inspección necesarios.

El objetivo es transformar en un evento sistemático el proceso, no dejando nada al azar, y facilitando que cualquier operario pueda realizar un cambio en ausencia del preparador especialista. Una vez establecidas ciertas reglas de cambio rápido a aplicar, es cuando se debe formar un equipo piloto para trabajar en el desarrollo específico del nuevo modo de trabajo, determinando y concretando la forma en que la empresa deberá hacer el cambio rápido de utillaje. Una regla clara a aplicar es la de realizar análisis puntuales y luego extenderlo al resto de las máquinas.

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Efectos de la técnica cambios rápidos de herramientas • • • • •

Cambio más sencillo. Producción con stock mínimo. Simplificación del área de trabajo. Mayor productividad. Mayor flexibilidad.

Motivación: todo el mundo se siente tremendamente motivado al compartir el sentimiento de logro y de éxito. • – – – – – – • – – • – – • –

Cambio más sencillo. Nueva operativa del cambio más sencilla. Necesidad de operarios menos cualificados. Se evitan situaciones de riesgo. Mejor seguridad. Se eliminan errores en el proceso. Mejor calidad. Producción con stock mínimo. Lotes más pequeños. Menor inventario en proceso. Simplificación del área de trabajo. Codificación de utillajes. Limpieza. Productividad y flexibilidad. La productividad busca que de 8 horas de trabajo (6 de trabajo y 2 de cambio): Se pase a 7 horas de trabajo y 1 de cambio. Se pase a 7 y media de trabajo y media de cambio. – La flexibilidad busca que de 8 horas de trabajo (6 de trabajo y 2 de cambio): Se pase a 6 horas de trabajo y dos cambios de 1 hora. Se pase a 6 horas de trabajo y cuatro cambios de media hora.

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Kanban como Proceso de Mejora Continua 6.1. Fundamentos de Kanban En la actualidad, si una empresa no es lo suficientemente flexible para acomodarse a los cambios del mercado se podría decir que estará fuera de competencia en muy poco tiempo. El concepto de flexibilidad aplicado a la manufactura, significa adecuarse a las necesidades y demandas del cliente, tanto de diseño como de calidad y entrega. Una de las problemáticas más comunes en lo que respecta a la planeación de la producción es producir lo necesario en el tiempo necesario, sin sobrantes ni faltantes, para lograr esto se necesita un plan, flexible, hecho para ser modificado, un plan que se pueda modificar rápidamente. No es conveniente hacer órdenes de producción muy grandes tratando de prevenir la demanda del mercado ya que nos podemos quedar cortos o largos de producto, así como no es conveniente hacer órdenes unitarias; lo más conveniente es hacer órdenes de lotes pequeños, este es el concepto fundamental. Muchas compañías manufactureras japonesas visualizaron el ensamble de un producto como un proceso continuo desde el diseño-manufactura-distribución de ventas-servicio al cliente. Para muchas compañías del Japón el corazón 241

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de este proceso antes mencionado es el Kanban, quien directa o indirectamente maneja mucho de la organización manufacturera. Fue originalmente desarrollado por Toyota en la década de 1950 como una forma de manejo del flujo de materiales en una línea de ensamble. Objetivos Poder empezar cualquier operación estándar en cualquier momento, en una empresa manufacturera. • • • •

Dar instrucciones de la producción basados en las condiciones actuales del área de trabajo. Prevenir que en las organizaciones se agregue trabajo innecesario a aquellas órdenes ya empezadas, y evitar el exceso de papeleo innecesario. Propender a la eliminación de la sobreproducción. Facilitar el control del material.

El sistema Kanban, un sistema implementado en muchas de las plantas japonesas, tiene sus propias características a la hora de funcionar, pues las máquinas no producen hasta que se les solicita que lo hagan, de manera que no se generan inventarios innecesarios que quizá al final queden varados y no se vendan, ya que serían excedentes de producción. El Kanban es una metodología de origen japonés que significa “tarjeta numerada” o “tarjeta de identificación”. Esta técnica sirve para cumplir los requerimientos de material en un patrón basado en las necesidades de producto terminado o embarques, que son los generadores de la tarjeta de Kanban, y que se enviarían directamente a las máquinas inyectoras para que procesen solamente la cantidad requerida. El sistema que se aplicó en Toyota utilizaba una tarjeta en lugar de una carreta vacía para indicar a la máquina/operación anterior, que se necesitaba más

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trabajo. La aplicación original de Toyota utilizaba un sistema de tarjeta única. Por esta razón, la mayoría de aplicaciones utilizan el sistema de una sola tarjeta, aunque a menudo se utilizan otros mecanismos además de las tarjetas. A cada pieza le corresponde un contenedor vacío y una tarjeta, en la que se especifica la referencia (máquina, descripción de pieza, etcétera), así como la cantidad de piezas que ha de esperar cada contenedor para ser llenado antes de ser trasladado a otra estación de trabajo, por citar un ejemplo. Como regla, todos y cada uno de los procesos deberán ir acompañados de su tarjeta Kanban. El sistema Kanban funciona bajo ciertos principios, que son los que a continuación se enumeran: 1. 2. 3. 4. 5.

Eliminación de desperdicios. Mejora continua. Participación plena del personal. Flexibilidad de la mano de obra. Organización y visibilidad.

La etiqueta Kanban contiene información que sirve como orden de trabajo, esta es su función principal, en otras palabras, es un dispositivo de dirección automático que nos da información acerca de qué se va a producir, en qué cantidad, mediante qué medios, y como transportarlo. Funciones Básicamente Kanban nos servirá para lo siguiente: •

Poder empezar cualquier operación estándar en cualquier momento.

1. O Grady, P.j., Just in time, Una estrategía fundamental para los jefes de producción, P. 91.

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• •

Dar instrucciones basadas en las condiciones actuales del área de trabajo. Prevenir que se agregue trabajo innecesario a aquellas órdenes ya empezadas y prevenir el exceso de papeleo innecesario.

Otra función de Kanban es la de movimiento de material, la etiqueta Kanban se debe mover junto con el material, si esto se lleva a cabo correctamente se lograrán los siguientes puntos: • • •

Eliminación de la sobreproducción. Prioridad en la producción, el Kanban con más importancia se pone primero que los demás. Se facilita el control del material.

Pero son dos las funciones principales del Kanban: • •

El control de la producción. La mejora de los procesos. Control de la producción

Por control de la producción se entiende la integración de los diferentes procesos y el desarrollo de un sistema justo a tiempo en la cual los materiales llegarán en el tiempo y cantidad requerida en las diferentes etapas de la fábrica y, si es posible, incluyendo a los proveedores. Los productores japoneses tienden a estar menos integrados verticalmente, dejando muchas actividades a sus proveedores, y a mantener un número pequeño de ellos. Esto es posible gracias a las relaciones duraderas y de cooperación que son mantenidas. En el ámbito operativo, pequeñas y frecuentes entregas son la clave del sistema, y pueden ser realizadas sin coste adicional debido a las relaciones de cooperación y el uso de proveedores próximos a la planta.

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La proximidad geográfica, por lo tanto, parece ser un elemento muy importante, pues mejora el control, la comunicación, el coste y la puntualidad de las transacciones, lo cual permite mantener inventarios de entrada mínimos. Las exigencias en términos de calidad y puntualidad pasan a primer plano y constituyen un elemento esencial tanto para la selección de proveedores como para la prolongación de relaciones. Mejora de los procesos Por la función de mejora de los procesos se entiende la facilitación de mejora en las diferentes actividades de la empresa mediante el uso de Kanban, esto se hace mediante técnicas ingenieriles, y darían los siguientes resultados: • • •

• • • • • •

Eliminación de desperdicios. Organización del área de trabajo. Reducción del set-up. El tiempo de set-up es la cantidad de tiempo necesario en cambiar un dispositivo de un equipo y preparar ese equipo para producir un modelo diferente; para producirlo con la calidad requerida por el cliente y sin incurrir en costos para la compañía y lograr con esto, reducir el tiempo de producción en todo el proceso. Utilización de maquinarias vs utilización con base en demanda. Manejo de multiprocesos. Mecanismos a prueba de error. Mantenimiento preventivo. Mantenimiento productivo total. Reducción de los niveles de inventario. Implementación del Kanban

Es importante que el personal encargado de producción, control de producción y compras comprenda como un sistema Kanban, va a facilitar su trabajo y mejorar su eficiencia mediante la reducción de la supervisión directa.

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También se deberán tomar en cuenta las siguientes consideraciones antes de implementar Kanban: • •

• • • •

Determinar un sistema de calendarización de producción para ensambles finales, para desarrollar un sistema de producción mixto y etiquetado. Se debe establecer una ruta de Kanban que refleje el flujo de materiales, esto implica designar lugares para que no haya confusión en el manejo de materiales, se debe hacer obvio cuando el material está fuera de su lugar. El uso de Kanban está ligado a sistemas de producción de lotes pequeños. Se debe tomar en cuenta que aquellos artículos de valor especial deberán ser tratados diferentes. Se debe tener buena comunicación desde el departamento de ventas a producción para aquellos artículos cíclicos a temporada que requieren mucha producción, de manera que se avise con bastante anticipo. El sistema Kanban deberá ser actualizado constantemente y mejorado continuamente.

Las cuatro fases principales para una buena implementación del sistema Kanban: – Fase 1: entrenar a todo el personal en los principios de Kanban, y los beneficios de usarlo. – Fase 2: implementar Kanban en aquellos componentes con más problemas para facilitar su manufactura y para resaltar los problemas escondidos. El entrenamiento con el personal continúa en la línea de producción. – Fase 3: implementar Kanban en el resto de los componentes, esto no debe ser problema ya que para esto, los operadores ya han visto las ventajas de Kanban. – Fase 4: esta fase consiste de la revisión del sistema Kanban, los puntos de reorden y sus niveles.

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Entrenamiento de personal Es necesario entrenar a todo el personal en los principios de Kanban, y los beneficios de usarlo. Las características expuestas en producción requieren de trabajadores multifuncionales con capacidades para trabajar en común y fuertemente autoidentificados con la empresa, de tal forma que colaboren para su mejora. La reducción de inventario al mínimo supone trabajar bajo una mayor presión, con tiempos más ajustados y con mayor perfección. El número de categorías laborales en las empresas orientales es considerablemente menor, y las diferencias salariales son menos importantes que en empresas occidentales, estando basadas más en la antigüedad que en la formación o la categoría del trabajador. Finalmente, es destacable la rotación de ingenieros, directivos y personal clave por diferentes departamentos o plantas con el fin de intercambiar mejoras y fomentar la polivalencia de los empleados. Identificación y aplicación en componentes problemáticos Las plantas japonesas establecidas en occidente han sido vistas como los embajadores de la producción justo a tiempo (jit, por sus siglas en inglés) que han probado la adaptabilidad del sistema a occidente. Es difícil encontrar en la literatura ejemplos de plantas funcionando igual que en Japón. Dado que se cuenta con la experiencia de directivos formados en plantas similares de este país, parece no haber problema en cuanto a la implantación de técnicas productivas. Las principales diferencias se encuentran en el área de recursos humanos y relaciones con proveedores.

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Aplicación en los demás componentes Se considera que las diferencias en la gestión de recursos humanos entre plantas japonesas dentro y fuera de Japón dependen fundamentalmente de dos factores, el tamaño de la compañía y el tipo de trabajador. Las empresas pequeñas suelen adaptarse a los modelos laborales locales mientras que las grandes introducen prácticas de bajo coste, tales como trabajo en equipos, empleados polivalentes o formación interna, mientras que reservan aquellas de alto coste, como la seguridad laboral o el empleo para toda la vida, para sus plantas en Japón y sus empleados japoneses destinados en el exterior. Una de las principales barreras encontradas no es precisamente la actitud de los trabajadores de planta, sino la mentalidad, formación y costumbres de los directivos contratados localmente. Desde una perspectiva más sociológica, la mentalidad de los trabajadores japoneses y la particular cultura japonesa “wa” (armonía) basada en la cooperación, trabajo en equipo y respeto a la antigüedad, ha sido considerada por algunos autores un factor fundamental para el éxito del justo a tiempo. Según ellos, no sólo basta con una transformación organizativa, sino que también es necesario un cambio cultural importante. Realimentación •

Esta fase consiste en la revisión del sistema Kanban, los puntos de reorden y los niveles de reorden. • Es importante tomar en cuenta la siguiente recomendación para el funcionamiento correcto de Kanban: – Ningún trabajo debe ser hecho fuera de secuencia. • La distribución en planta persigue fundamentalmente dos objetivos:

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– El de minimizar el tiempo inútil de los operarios. – El facilitar un continuo y equilibrado flujo de productos. Por lo tanto, la utilización de líneas en forma de U o paralelas permiten a una operario controlar más procesos dentro de la cadena y minimizar los desplazamientos. La colocación de máquinas de acuerdo con los productos y no con los procesos, también contribuye a la eliminación de distancias y a incrementar la sensibilización hacia la demanda puesto que permite mantener menores inventarios. El control de calidad juega un papel esencial en producción jit. Es introducida la noción de control total de calidad, cuya máxima principal es producir mejor calidad y detectar y retirar los productos defectuosos (filosofía cero defectos). Para esto es necesario involucrar a todos los departamentos, empleados y procesos en una serie de programas que pasan por la formación de los trabajadores para ejercer labores de autosupervisión y por la implantación de técnicas estadísticas de control que permiten parar la cadena cuando alguna máquina está desajustada y comienza a producir fuera de los estándares establecidos. La participación de los trabajadores en la introducción de mejoras es realizada a través de los círculos de calidad, que están constituidos voluntariamente por grupos de trabajadores que proponen y analizan posibles cambios para mejorar la eficiencia.Estos círculos son fomentados mediante el pago de incentivos que dependen de las mejoras obtenidas con las diferentes ideas. Para evitar una infrautilización de los operarios estos deben conocer diferentes actividades con el fin de ser destinados a aquellos lugares donde se necesiten. Finalmente, en producción jit reina un principio fundamental, la mejora continua. Este principio está siempre presente en todos los procesos, los cuales están abiertos a cambios y mejoras que son potenciados con la participación de todos a través, por ejemplo, de los círculos de calidad.

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Reglas del Kanban 1. El Kanban como un sistema de mejoramiento de la productividad. En la actualidad, la necesidad de producir eficientemente sin causar trastornos ni retrasos en la entrega de un producto determinado es un factor de suma importancia para las empresas que desean permanecer activas en un mercado como el actual, que exige respuestas rápidas y cumplimientos en calidad, cantidad y tiempos de entrega. Los resultados mostrados por el sistema Kanban, cuando se implementaron en estados ambientales seguros, se desempeñan desde luego excepcionalmente bien. Sin embargo, los sistemas más tradicionales usados en los Estados Unidos también muestran este buen desempeño. Al contrario, hay otros ambientes de planta en que todos los sistemas se desempeñan mucho peor. Esto sugiere que los factores en sí mismos son la clave para un mejoramiento estructural. Simultáneamente se reducen los tiempos de set-up y los tamaños de lote se encuentran como la única manera efectiva de cortar los niveles de inventario y mejorar el servicio al cliente. 2. No se debe mandar un producto defectuoso a los procesos subsecuentes. Si se encuentra un defecto, se deben tomar medidas, para prevenir que este no vuelva a ocurrir. La autonomatización nunca permite que las unidades con defecto fluyan al siguiente proceso, deben de existir dispositivos que automáticamente detengan las máquinas y no se produzcan más defectos. 3. Lo peor no es parar el proceso, lo peor es producir artículos con defectos. Observaciones para esta regla:

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• •

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El proceso que ha desatado un producto defectuoso, se puede descubrir inmediatamente. El problema descubierto se debe divulgar a todo el personal implicado, no se debe permitir la recurrencia.

4. Los procesos subsecuentes requerirán sólo lo que es necesario. Esto significa que el proceso subsecuente pedirá el material que necesita a los procesos anteriores, en la cantidad necesaria y en el momento adecuado. La peor merma ocurre cuando los procesos no son capaces producir lo que es necesario, y cuando estos están produciendo lo que no es necesario. Existe una serie de pasos que aseguran que los procesos subsecuentes no requerirán arbitrariamente del proceso anterior: • • •

No se debe requerir material sin una tarjeta Kanban. Los artículos que sean requeridos no deben exceder el número de Kanban admitidos. Una etiqueta de Kanban debe siempre acompañar a cada artículo.

5. Producir solamente la cantidad exacta requerida por el proceso subsecuente. Esta regla fue creada con la condición de que el mismo proceso debe restringir su inventario al mínimo, para esto se deben tomar en cuenta las siguientes observaciones: – No producir más que el número de kanbanes. – Producir en la secuencia en la que los kanbanes son recibidos.

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Balancear la producción Es aquí cuando es más fácil apreciar los componentes básicos del sistema Kanban, teniendo especial cuidado y observación del primero, que son los siguientes: 1. 2. 3.

Equilibrio, sincronización y flujo. Calidad: “hacerlo bien la primera vez”. Participación de los empleados.

Kanban es un medio para evitar especulaciones No se debe especular sobre si el proceso subsecuente va a necesitar más material la siguiente vez, tampoco, el proceso subsecuente puede preguntarle al proceso anterior si podría empezar el siguiente lote un poco más temprano, ninguno de los dos puede mandar información al otro. Solamente la información que está contenida en las tarjetas Kanban es la considerada oficial, evitándose de esta forma especulaciones en lo que se refiere a la producción. Es muy importante que esté bien balanceada la producción; si es que fuere así, obtendremos los siguientes beneficios: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Reducción en tiempo de producción. Aumento de productividad. Reducción en costo de calidad. Reducción en precios de material comprado. Reducción de inventarios. Reducción del tiempo de alistamiento. Estabilizar y racionalizar el proceso

El trabajo defectuoso existe si el trabajo no existe estandarizado y racionalizado, si esto no es tomado en cuenta, seguirán existiendo partes defectuosas.

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Estas partes defectuosas pueden ser definidas como desperdicios, es decir, todo lo que sea distinto a los recursos mínimos absolutos de materiales, máquinas, y mano de obra necesarios para agregar valor al producto. Hay que recordar que el Kanban es definido como una filosofía industrial de eliminación de todo lo que implique desperdicio en el proceso de producción, desde las compras hasta la distribución. Tipos de Kanban Esta clasificación puede variar según la perspectiva del profesional, en consideración a los elementos que tome en cuenta para su conceptualización. Pero en forma general, se aceptan por lo menos dos tipos de Kanban, que varían de acuerdo a su necesidad: a) Kanban de Producción. b) Kanban señalador/Kanban de material. •

Kanban de producción.

Este tipo de Kanban es utilizado en líneas de ensamble y otras áreas donde el tiempo de set-up es cercano a cero. Cuando las etiquetas no pueden ser pegadas al material por ejemplo, si el material está siendo tratado bajo calor, éstas deberán ser colgadas cerca del lugar de tratamiento de acuerdo a la secuencia dentro del proceso. Indican al proveedor que produzca un nuevo contenedor para sustituir al que había trasladado hasta el almacén de materias primas del cliente. Para aplicar este sistema debe existir confianza entre proveedor-cliente. Cada vez se utiliza en más empresas ya que es más flexible ante los cambios de mercado, debido a que no acumula stocks. Ofrece un producto de calidad.

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•

Kanban señalador/Kanban de material.

Este tipo de etiquetas son utilizadas en áreas tales como: – Prensas. – Moldeo por confección y – Estampado. Se coloca la etiqueta Kanban señalador en ciertas posiciones en las áreas de almacenaje, especificando la producción del lote; la etiqueta señalador Kanban funcionará de la misma manera que un Kanban de producción. Indican al proveedor que traslade de su almacén un contenedor al almacén de materias primas del cliente. El sistema exige una coordinación interna de los elementos, que se consigue a través de la motivación (grupos de trabajo). Se conseguirá darle más responsabilidad a esas personas y por lo tanto más satisfacción en su trabajo. Al establecer sistemas de recompensas en grupo se evita la rivalidad entre los trabajadores. – Información necesaria en una etiqueta Kanban. La información en la etiqueta Kanban debe ser tal, que debe satisfacer tanto las necesidades de manufactura como las del proveedor del material. La información necesaria en una etiqueta Kanban es la siguiente: Número de parte del componente y su descripción. Nombre/número del producto. Cantidad requerida. Tipo de manejo de material requerido. Dónde debe ser almacenado cuando sea terminado. Punto de reorden. Secuencia de ensamble/producción del producto.

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Número de parte del componente y su descripción Los Kanbanes son tarjetas que indican u ordenan, que se vuelva a servir un nuevo pedido. Estas describen su origen, destino, cantidad e identidad de los productos a servir. Por lo que cada parte del componente deberá estar bien definida o clasificada por un código o clave, la que podrá estar compuesta por números o letras, o una combinación de éstos. Nombre/número del producto Muchas veces será necesario, además, incluir el nombre o número del producto; en este caso, la nomenclatura se referirá al producto en general y no al componente en particular. Esta característica permitirá evitar confusiones, en el sentido de que, las partes que componen un determinado producto, efectivamente lleguen a él. Cantidad requerida Este punto reviste mucha importancia, puesto que es vital y absolutamente necesario conocer la cantidad requerida para poder producir. El hecho de que, una vez recibida la tarjeta posea errores, desembocará en graves problemas para la empresa. Puede darse el caso de que falten componentes, y por lo tanto haya que parar la producción; por el contrario, puede ser que dichos materiales estén de más, resultando pérdidas por mercadería obsoleta. Tipo de manejo de material requerido Muchos componentes necesitarán un trato especial en lo que respecta a su manejo. Gran cantidad de materiales poseen características que provocan que su manejo sea realizado en forma cuidadosa. Estas características se pueden presentar en diversas formas y por diversos motivos, los mismos que pueden ser, entre otros los siguientes:

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• • • •

El clima. Lo perecedero del producto. Lo frágil del material. El hecho de mantenerlo en una posición perenne, etcétera. Dónde debe ser almacenado cuando sea terminado

Los materiales son recibidos, inspeccionados, almacenados y distribuidos, basados en el programa predeterminado. Estos mismos materiales, en la forma de subensamble se almacenan de nuevo. Si hay defectuosos, o las piezas no específicas son utilizadas, u ocurren errores en ensamble, grandes cantidades de piezas o subpiezas son producidas y almacenadas, quizá por días o semanas. En todo caso, si el producto ya estuviere terminado, será menester almacenarlo en algún lugar. El Kanban nos guiará rápidamente al lugar de almacenaje, sin pérdidas de tiempo y esfuerzo. Punto de reorden Las posiciones de inventario de artículos se deberán revisar periódicamente, y el número de órdenes se emitirá uniformemente a lo largo de la determinación de la producción. El punto de reorden revisará la posición de inventario de artículos intermedios y comprados, diariamente no semanalmente. La razón por qué Kanban aparece atractivo no es el sistema en sí mismo es meramente una manera conveniente para implementar una estrategia de lote pequeño y una manera para exponer problemas ambientales. Al ser un sistema de poco papel, las decisiones cotidianas para poner nuevas órdenes son hechas por los trabajadores. Cuando los tamaños de lote son pequeños y repetitivos, los sistemas con la documentación excesiva sobre cada orden de taller, requieren muchos costos más altos de administración.

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Secuencia de ensamble/producción del producto La secuencia de ensamble producción, llamada flujo, es de importancia primordial y se obtiene mediante el equilibrio. La información de la tarjeta Kanban puede contener, en lo concerniente a este punto: • • • •

El tiempo del ciclo. La carga nivelada. El ritmo de producción. La frecuencia.

La correcta aplicación de Kanban requerirá de capacitación, fuerza laboral y recapacitación. El contenido de la secuencia de ensamble colaborará a buscar en lo que a stock se refiere, la cantidad mínima posible en el último momento posible, y la eliminación de existencias. Limitaciones del Kanban El Kanban es viable prácticamente en toda fábrica que haga artículos por unidades completas, pero no en las industrias de proceso. Sólo rinde beneficios en ciertas circunstancias: •

•

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El Kanban debe ser un elemento del sistema just in time. Tiene poco sentido aplicar un sistema de extracción si se requiere un tiempo interminable para extraer las partes necesarias del centro de trabajo productor, como ocurriría si los tiempos de preparación son de horas y los lotes son grandes. Las partes incluidas en el sistema Kanban deben ser usadas cada día. Kanban proporciona por lo menos un recipiente lleno de un determinado número de partes, lo cual no es mucho inventario ocioso si todo

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el recipiente se utiliza el mismo día en que es producido. Las unidades muy costosas o muy grandes no se deben incluir en el Kanban. Su almacenamiento y manejo son costosos. Ventajas y mejoras del uso del sistema justo a tiempo La filosofía justo a tiempo nace en torno al objetivo de satisfacer las necesidades del cliente instantáneamente, manteniendo una calidad perfecta con el mínimo despilfarro. Esta filosofía se ha traducido en una serie de técnicas de dirección de los procesos productivos, las cuales, en algunos casos, han sido consideradas como únicas constituyentes del éxito japonés (perspectiva técnica). Una de estas técnicas es el Kanban, según el cual cada proceso en cadena de producción libera el flujo de la etapa precedente de acuerdo con las necesidades, utilizando unas tarjetas o bien electrónicamente, pasando así de producir para stocks a producir para demanda. Aunque el término just in time ha sido empleado también como sinónimo de Kanban, su filosofía es algo más que un conjunto de técnicas de producción y envuelve también un particular modo de entender la gestión de recursos humanos y de proveedores (perspectiva sociotécnica). El sistema Kanban, sin lugar a dudas envuelve por si sólo una gran cantidad de ventajas, siendo las siguientes las de mayor importancia: • • • • •

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Reducción en los niveles de inventario. Flexibilidad en la calendarización de producción y en la producción en sí. El rompimiento de las barreras administrativas son archivadas por Kanban. Promueve el trabajo en equipo. Mejora la calidad.

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• • • • •

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Incentiva la autonomación (decisión del trabajador de detener la línea). Propende a la limpieza y mantenimiento. Provee información rápida y precisa. Evita sobreproducción. Minimiza desperdicios. Promotor de mejoras

Un sistema Kanban promueve mejoras en dos aspectos: • •

En las situaciones anormales. En los puntos débiles (teoría de las restricciones). De situaciones anormales

El Kanban hace patentes las situaciones anormales cuando se provocan por distintas causas, que muchas veces están fuera de los límites que podemos manipular. Estas causas pueden ser muy variadas y de distintas índoles pueden provenir de diferentes fuentes, y sus remedios serán unas veces fáciles y otras difíciles. Los factores que deben ser considerados cuando se analizan las contingencias que han obligado a algunos productores japoneses, a transformar las prácticas de gestión utilizadas en sus plantas fuera de Japón, son: • • • • •

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Averías de máquinas y defectos del producto. Tamaño de la compañía. Potencial de negociación con proveedores, gobiernos y sindicatos. Mentalidad, formación y costumbres de los directivos contratados localmente. Existencia de sindicatos a escala sectorial.

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• • • • • •

Resistencia de los trabajadores hacía las nuevas prácticas. Incapacidad para adaptarse a los mayores requerimientos de las plantas japonesas. Inexistencia de proveedores de calidad capaces de producir justo a tiempo. Resistencia de los proveedores locales a participar en sistemas justo a tiempo. Imposibilidad de concentrar geográficamente a los proveedores. Problemas de entendimiento debido a la diferente forma de concebir una relación proveedor-comprador. Teoría de restricciones

Una reducción gradual en el número de kanbanes conduce a reducciones en el stock, lo que termina con el rol de stock como amortiguador frente a las inestabilidades de la producción. Esto pone al descubierto los procesos infracapacitados y a los que generan anomalías, y simplifica el descubierto de los puntos que requieren mejora. La eficiencia global se incrementa concentrándose en los elementos débiles (teoría de las restricciones). Una de las funciones de Kanban es la de transmitir la información al proceso anterior para saber cuales son las necesidades del proceso actual. Si hay muchos kanbanes, la información deja de ser tan efectiva, y no se sabe cuales partes son realmente necesitadas en ese momento. Si se reduce el número de Kanbanes se reduce el número de set-up. Mientras menos Kanbanes existan es mejor la sensibilidad del sistema. Cómo circulan los kanbanes: el caso Toyota Los gigantes en la manufactura Japonesa y Coreana no deben su éxito a una mejor administración, a una labor más barata, a una forma de gobierno favorable

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a la industria o a una industria mejor financiada; lo deben a una mejor tecnología de manufactura. El sistema de producción Toyota es uno de los cuales ha dado esa ventaja competitiva en el mercado mundial. Es un revolucionario sistema adoptado por las compañías Japonesas después de la crisis petrolera de 1973. La compañía Toyota lo empezó a utilizar a principios de la década de 1950, el propósito principal de este es eliminar todos los elementos innecesarios en el área de producción que incluyen: • • • •

Desde el departamento de compras de materias primas. El servicio al cliente. Los recursos humanos. Las finanzas, etcétera.

Es utilizado para alcanzar reducciones de costos nunca imaginados y cumpliendo con las necesidades de los clientes a los costos más bajos posibles. Existen varios conceptos del sistema de producción Toyota, a continuación se mencionan brevemente: Manufactura justo a tiempo, que significa producir el tipo de unidades requeridas, en el tiempo requerido y en las cantidades requeridas. Justo a tiempo elimina inventarios innecesarios tanto en proceso, como en productos terminados y permite rápidamente adaptarse a los cambios en la demanda. Fuerza de trabajo flexible, que significa variar el número de trabajadores para ajustarse a los cambios de demanda; los empleados cuando menos, deben de conocer las operaciones, anterior y posterior a la que están realizando y deben de ser capaces y estar dispuestos a realizar diferentes tipos de actividades en cualquier área de la compañía. Si la compañía se preocupa por la familia del trabajador, el trabajador se preocupará por la compañía. Pensamiento creativo o ideas creativas, que significa capitalizar las sugerencias de los trabajadores, para lo cual se necesita tener recursos disponibles para

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responder a esas sugerencias. Es mejor no tener un programa de participación de los empleados que tener uno al cual no se le presta la atención debida. Si estamos pidiendo sugerencias para mejorar la compañía debemos de tener un sistema de respuesta a esas sugerencias. El sistema de producción Toyota establece varios puntos para hacer que los objetivos de los tres conceptos anteriores se alcancen ya que son la base de su sistema de producción. En cambio, la línea produce una gran variedad de productos cada día en respuesta a la variación de la demanda del cliente. La producción es lograda adaptando los cambios de la demanda diariamente y mensualmente. Reducción del tiempo estándar. El producto que llega primero al mercado goza de un alto porcentaje de ganancias asociadas con la introducción inicial del producto. Estandarización de operaciones: se trata de minimizar el número de trabajadores, balanceando las operaciones en la línea. Asegurando que cada operación requiera del mismo tiempo para producir una unidad. El trabajador tiene una rutina de operación estándar. Distribución de máquinas y trabajadores multifuncionales, que permiten tener una fuerza de trabajo muy flexible, los cuales deben de estar bien entrenados y tener una gran versatilidad que se logra a través de la rotación del trabajo y continuamente se evalúan y revisan los estándares y rutinas de operación así las máquinas podrán ser colocadas en distribuciones en forma de “U” donde la responsabilidad de cada trabajador será aumentada o disminuida dependiendo del trabajo a realizar en cada producto. Mejoramiento de actividades, enfocadas a reducir costos, mejorar productividad, reducir la fuerza de trabajo, mejorar la moral de los empleados. Éste se realiza a través de equipos de trabajo y sistemas de sugerencias.

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Sistemas de control visual, que monitorean el estado de la línea y el flujo de la producción. Con sistemas muy sencillos, por ejemplo, algunas luces de diferentes colores que indiquen algunas anormalidades en la línea de producción. Algunos otros controles visuales como hojas de operaciones, tarjetas de Kanban, displays digitales, etcétera. Control de calidad en toda la compañía, que promueve mejoras en todos los departamentos, por medio de la acción de un departamento, reforzado por otros de la misma compañía. Teniendo especial atención en la junta de directores para asegurar que la comunicación y la cooperación suceda en todos los niveles. En una línea de montaje los Kanbanes circulan de la siguiente forma: 1. 2.

3. 4.

Se recoge un Kanban de transporte colocándolas en posición específica y las lleva hasta el proceso previo para obtener piezas procesadas. Se retira un Kanban de producción de un palet de piezas procesadas (sirve como tarjeta de orden e instrucción de trabajo que promueve el procesamiento de piezas semiprocesadas aprovisionadas desde el proceso previo) y lo coloca en una posición prefijada. El Kanban de transporte se coloca en el palet y se transporta a la línea. Se retira del palet las piezas semiproducidas y se reemplazan por un Kanban de transporte.

Este sistema tiene el beneficio añadido de simplificar la burocracia, cuando la producción se ejecuta pasando instrucciones a cada proceso, algunos de éstos pueden retrasarse, o la producción especulativa puede generar inventarios innecesarios. El sistema Kanban previene este despilfarro. El sistema de producción intenta minimizar los inventarios de trabajos en proceso, así como los stocks de productos acabados. Por esta razón, requiere una producción en pequeños lotes, con numerosas entregas y transportes frecuentes. No se utilizan las tarjetas de instrucción de trabajo y transferencia de los procesos convencionales de control.

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En vez de ello, los tiempos y los lugares de las entregas se especifican en detalle. El sistema se establece como sigue: • • •

Las entregas se realizan varias veces al día. Los puntos de entrega física se especifican en detalle para evitar colocar piezas en almacén y tener después que retirarlas para transferirlas a la línea. El espacio disponible para la colocación de piezas se limita para hacer imposible acumular excesos de stocks.

El movimiento de los Kanbanes regula el movimiento de los productos. Al mismo tiempo, el número de Kanbanes restringe el número de productos en circulación. El Kanban debe moverse siempre con los productos.

6.2. La filosofía justo a tiempo Las siglas jit corresponden a la expresión anglosajona Just In Time, cuya traducción podemos denotar como Justo a Tiempo. Y precisamente la denominación de este novedoso método productivo nos indica su filosofía de trabajo: “las materias primas y los productos llegan Justo a Tiempo, bien para la fabricación o para el servicio al cliente”. La filosofía jit explica gran parte de los actuales éxitos de las empresas japonesas, sus grandes precursoras. Sus bases son la reducción de los “desperdicios”, es decir, de todo aquello que no se necesita en el preciso momento, colchones de capacidad, grandes lotes almacenados en los inventarios, etcétera. De esta manera, lo primero que nos llama la atención es la cuantiosa reducción de los costes de inventario, desembocando en una mejor producción, una mejor calidad, etcétera. Sin embargo, no podemos estudiar el sistema jit como un paquete de software, como el mrp (Material Requirements Planning, Programa de Requerimientos

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de Material), sino que debemos estudiarlo como filosofía, ya que no únicamente afecta al proceso productivo, sino que también lo hace directamente sobre el personal, la forma de trabajo, los proveedores, etcétera. Esta filosofía se basa principalmente en dos expresiones que resumen sus objetivos, “el hábito de ir mejorando la eliminación de prácticas desperdiciadoras”. El jit busca que continuamente logremos hacer las cosas mejor, hecho que raramente es apreciado en las acomodadas empresas occidentales, algunas de las cuales realizan una equívoca comparación entre sus medidas de minimizar costos con la eliminación de prácticas que producen desperdicio, esto es, prácticas que no suponen ningún beneficio para la empresa (aunque a primera vista si lo parezca). El nacimiento del justo a tiempo El sistema Justo a Tiempo nació en Japón, donde fue aplicado por la empresa automovilística Toyota que lo empezó a utilizar a principios de la década de 1950; el propósito principal de éste era eliminar todos los elementos innecesarios en el área de producción (que incluye desde el departamento de compras de materias primas, hasta el de servicio al cliente, pasando por recursos humanos, finanzas, etcétera) y es utilizado para alcanzar reducciones de costos nunca imaginados y cumpliendo con las necesidades de los clientes a los costos más bajos posibles como se ha comentado en la introducción. Además, la historia tiene su propia aportación a la innovación del Justo a Tiempo, si en la década de 1950 el avance tecnológico y el desarrollo industrial eran propiedad casi exclusiva de los Estados Unidos de América, debido en gran parte a su victoria en la Segunda Guerra Mundial, la cual perjudicó enormemente a la nación japonesa, en la década de 1980, esta tendencia se invirtió hacia el que fue su gran enemigo en la guerra, Japón. El avance de la electrónica y otros grandes sectores industriales relacionados con las más florecientes industrias se asentaron en aquel país debido, en gran parte, a las favorables condiciones económicas y laborales en las empresas niponas. Pero el nacimiento de un gran

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número de empresas, casi todas ellas relacionadas con los mismos sectores tecnológicos provocó la aparición de una feroz competencia. La lucha por la supremacía mundial se enfocó entonces hacia aspectos que nunca antes habían tenido tanta importancia como la innovación. El gran número de empresas provocó la aparición casi simultánea de productos similares fabricados por diferentes empresas, reduciendo así la cuota de mercado y, por lo tanto, los beneficios. Las empresas debían ser superiores a sus competidoras, y lo debían ser en aquellos aspectos que a nadie antes se le había ocurrido. Las empresas japonesas fueron las primeras en enfocar sus productos e innovaciones en esta dirección. Para ello, debían de ser las mejores en invención de nuevos productos, además debían ser las más rápidas, para evitar que la competencia redujera su margen de beneficios. Pero el avance tecnológico impidió que aumentara la diferencia de tiempo desde que se lanzaba el nuevo producto hasta que los competidores lo “reproducían”. Por lo tanto, se debía buscar un nuevo método para seguir innovando pero aumentando el margen de beneficios. Y precisamente fue la filosofía jit la que permitió a las empresas que lo implantaron, todas ellas japonesas, resolver dos problemas a la vez: la falta de espacio físico y la obtención del máximo beneficio: “reducción de inventarios y eliminación de prácticas desperdiciadoras”. La primera empresa que implantó este método productivo, (Toyota), se convirtió rápidamente en líder mundial en su sector. La eficacia del jit la llevó rápidamente a mejorar y perfeccionar su filosofía, impactando positivamente todos los ámbitos de la empresa. El método Justo a Tiempo explica muchos de los éxitos de las empresas japonesas en los últimos años, las cuales están pasando poco a poco a liderar sus ámbitos de mercado. Sin embargo, son muchas las empresas que no lo han implantado aún en su producción. La mayoría de estas empresas corresponden al grupo de empresas occidentales, entre las que englobamos tanto a las norteamericanas como a las europeas. Una de las causas de que el jit no se halla instalado en occidente puede ser el distinto estilo de vida de ambos bloques; la vida metódica tradicional japonesa

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frente a la vida liberal de los países occidentales. Esto hace una diferencia respecto a cómo se perciben las empresas. Mientras que en Europa, la empresa es el lugar de trabajo para la gran mayoría, perdiendo toda relación con ella fuera de las horas laborales. En Japón, en cambio, la empresa es una parte de la vida muy importante en la vida del trabajador nipón, llegando al extremo de identificarse totalmente con los problemas de la empresa, haciéndolos como suyos e intentando resolverlos para el beneficio del conjunto antes que el beneficio propio. Si tomamos este hecho como punto de partida, ya podemos apreciar el por qué de las dificultades de implantar un sistema productivo japonés en un país occidental. Por otra parte, la publicidad sobre el tema no ha llegado en profundidad a sus pormenores, quedándose únicamente en la superficie. Este hecho provoca que las empresas vean solamente la capa más exterior, facilitando la aparición de suspicacias y rechazos hacia el nuevo sistema productivo, alcanzando a ver, por mucho, al jit como un método capaz de aumentar la tasa de rentabilidad de la inversión de una empresa o de reducir costes. Sin embargo, la adopción del Justo a Tiempo en una empresa supone un cambio radical en la forma tanto de verla como de entenderla. Todas las normas y rutinas ya establecidas pasan a la obsolescencia, ya que, el jit obliga a eliminar los gastos excesivos característicos de las grandes instalaciones. Esto llega a ser un factor determinante en el rechazo hacia el jit, ya que no todas las empresas se ven a sí mismas lo suficientemente flexibles como para adoptar los cambios que esta filosofía necesita. Por lo tanto, son muchas las excusas que las empresas occidentales alegan para rechazarlo. Concepto de la filosofía del justo a tiempo Es un conjunto integrado por actividades, diseñado para lograr un alto volumen de producción, utilizando inventarios mínimos de materia prima, trabajo en proceso y productos terminados. La filosofía Justo a Tiempo se basa en la lógica de que nada se producirá hasta que se necesite.

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Es la filosofía industrial de eliminación de todo lo que implique desperdicio en el proceso de producción, desde las compras hasta la distribución, o sea eliminación de actividades que no agreguen valor al cliente. “Es una filosofía industrial, que considera la reducción o eliminación de todo lo que implique desperdicio en las actividades de compras, fabricación, distribución y apoyo a la fabricación (actividades de oficina) en un negocio.” El desperdicio se concibe como “todo aquello que sea distinto de los recursos mínimos absolutos de materiales, máquinas y mano de obra necesarios para agregar valor al producto”. Algunos ejemplos de recursos mínimos absolutos son los siguientes: – Un solo proveedor, si éste tiene capacidad suficiente. – Nada de personas, equipos ni espacios dedicados a rehacer piezas defectuosas. – Nada de existencias de seguridad. – Ningún tiempo de producción en exceso. – Nadie dedicado a cumplir tareas que no agreguen valor. Por su parte el agregar valor implica aumentar el valor del producto ante los ojos del cliente, algunos ejemplos que lo agregan se mencionan a continuación: Ensamblar, mezclar, fundir, moldear, soldar, tejer, empacar. Otras acciones que generalmente ocurren en el proceso de fabricación son contar, mover, almacenar, programar, inspeccionar y traspasar un producto, actividades que no agregan valor en sí mismas. Justo a Tiempo implica producir sólo exactamente lo necesario para cumplir las metas pedidas por el cliente, es decir producir el mínimo número de unidades . .

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Hardcover, Manufactura justo a tiempo. Un enfoque práctico, P. 47. Hardcover, ibid.,P. 54.

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en las menores cantidades posibles y en el último momento posible, eliminando la necesidad de almacenaje, ya que las existencias mínimas y suficientes llegan justo a tiempo para reponer las que acaban de utilizarse y la eliminación del inventario de producto terminado. Se considera que el exceso de existencias: – Absorbe capital que no es necesario y que podría invertirse de una mejor forma. – Genera mayores costos de almacenaje. – Aumenta los riesgos de daños y de obsolescencia. – Puede ocultar oportunidades para realizar mejoras operativas. Este concepto de inventario de “entra y sale” o en tránsito deja de lado almacenaje estático y enfatiza un almacenaje dinámico. Aunque se considera que no es adecuado hablar de almacenaje porque la mercadería o materia prima que ingresa se despacha o utiliza de inmediato, sin entrar en alguna bodega o almacén. Elementos de la filosofía Justo a tiempo Existen siete elementos; seis de ellos son a nivel interno de la empresa y el último es a nivel externo. El tercero, cuarto y quinto elemento están relacionados con la ingeniería de producción: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

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La filosofía jit en sí misma. Calidad en la fuente. Carga fabril uniforme. Las operaciones coincidentes (celdas de maquinaria o tecnología de grupo). Tiempo mínimo de alistamiento de máquinas. Sistema de control conocido como sistema de halar o Kanban. Compras Justo a Tiempo.

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El primer elemento considera la eliminación del desperdicio, como el punto medular de todo el fenómeno Justo a Tiempo. Los seis elementos restantes son técnicos, enfocados al control del proceso o formas de cómo eliminar el desperdicio, sin embargo no todos tienen igual importancia, pues se considera a la calidad como el segundo elemento de importancia, componente básico para el Justo a Tiempo. Los cinco elementos restantes se clasifican como técnicas de flujo, es decir la manera como el proceso fabril avanza de una operación a la siguiente. Existe otro elemento fundamental que debería estar presente en todos y cada uno de los elementos antes mencionados: la intervención de las personas, el recurso humano. Para ello es necesario desarrollar una cultura de intervención de las personas, de trabajo en equipo, de involucramiento con las tareas que se realizan, de compromiso o lealtad de los colaboradores con los objetivos de la empresa, para que el jit funcione. Es así como la técnica denominada justo a tiempo jit es mucho más que un sistema que pretende disminuir o eliminar inventarios, es una filosofía que rige las operaciones de una organización. Su fin es el mejoramiento continuo, para así obtener la máxima eficiencia y eliminar a su vez el gasto excesivo de cualquier forma en todas y cada una de áreas de la organización, sus proveedores y clientes. El “gasto” se considera como toda aquella actividad que no agrega valor al producto o servicio. De ahí que su aplicación requiere del compromiso total de la dirección y de los empleados en todos los niveles, particularmente del operario de la línea de producción. Conseguir una buena tasa de rentabilidad depende de una buena implantación, las fases esenciales son:

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• • • • •

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Primera fase: poner el sistema en marcha. Segunda fase: educación. Tercera fase: conseguir mejoras del proceso. Cuarta fase: conseguir mejoras del control. Quinta fase: ampliar la relación proveedor/cliente.

La primera fase implica la creación de una base sobre la que se pueda construir la implantación, esta incluye cambiar las actitudes dentro de una empresa estableciéndose el tono global de la aplicación. Incluye cierta educación inicial, el análisis de costes y beneficios y la identificación de una planta piloto. Pero quizá el factor más importante para la puesta en marcha es conseguir el compromiso de la alta dirección. Sin este compromiso, la implantación es bastante más difícil, ya que inevitablemente en puntos determinados habrá que tomar decisiones. Completada la primera fase, se inicia la tarea de la educación. Una buena implantación del jit requiere cambiar ciertas actitudes a veces muy arraigadas. Puesto en marcha el programa de educación, ya se puede cambiar los procesos, y luego el control de la producción. Estas mejoras incluyen la utilización de mini fábricas con líneas de flujo para simplificar los problemas de control, así como el uso de sistemas de arrastre/Kanban para inducir el trabajo a través del sistema de producción. La fase final, la ampliación de la relación proveedor/cliente, completa la implantación del jit. Esta fase incorpora a los proveedores y clientes en un sistema que abarca todo el proceso de producción, desde los proveedores, pasando por la propia empresa hasta llegar a los clientes.

Principios fundamentales del justo a tiempo El jit es una filosofía que define la forma en que debiera gestionarse el sistema de producción que tiene cuatro objetivos esenciales: atacar los problemas fun-

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damentales, eliminar despilfarros, buscar la simplificación y diseñar sistemas para identificar problemas.

Atacar los problemas fundamentales A la cultura japonesa le encanta representar los conceptos con imágenes. Para describir el primer objetivo de la filosofía del jit, atacar los problemas fundamentales, los japoneses utilizan la analogía del río de las existencias. Cuando una empresa intenta bajar el nivel del río (en otras palabras, reducir el nivel de las existencias) descubre rocas, es decir, problemas. Hasta hace bastante poco, cuando estos problemas surgían en las empresas de los países occidentales la respuesta era aumentar las existencias para tapar el problema. Un ejemplo típico de este tipo de problemas sería el de una planta que tuviera una máquina poco fiable que suministrara piezas a otra, más fiable, y la respuesta típica de la dirección occidental sería mantener un stock de seguridad grande entre las dos máquinas para asegurar que a la segunda máquina no le faltara trabajo. En cambio, la filosofía del jit indica que cuando aparecen problemas debemos enfrentarnos a ellos y resolverlos (las rocas deben eliminarse del lecho del río). El nivel de las existencias puede reducirse entonces gradualmente hasta descubrir otro problema; este problema también se resolvería, y así sucesivamente. En el caso de la máquina poco fiable, la filosofía del jit nos indicaría que había que resolver el problema, ya fuera con un programa de mantenimiento preventivo que mejorara la fiabilidad de la máquina o, si éste fallara, comprando una máquina más fiable, la figura 29 ilustra la diferencia entre el enfoque tradicional occidental y el justo a tiempo.

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Stock de seguridad grande

Máquina poco fiable

Máquina posterior

Flujo de material

Enfoque occidental tradicional Máquina fiable

Máquina posterior

Flujo de material

Enfoque JIT

Figura.29. Enfoques respecto a máquinas poco fiables. Cuando hay una máquina o un proceso que forma un cuello de botella, uno de los enfoques occidentales tradicionales ha sido intentar conseguir una programación mejor y más compleja (utilizando, por ejemplo, el mrp II) para asegurar que nunca se queda sin trabajo, disminuyendo así el efecto del cuello de botella. Las consecuencias de estas políticas han sido muchas veces decepcionantes, los objetivos en cuanto a la rotación de existencias, que constituye una buena medida de la eficiencia, han sido inferiores en los países occidentales que en el Japón, y lo que es más, estos objetivos referentes a la rotación de existencias han aumentado más rápido en Japón que en los países occidentales. El enfoque jit ante una máquina o un proceso que constituye un cuello de botella sería, en cambio, reducir el tiempo de preparación para conseguir una mayor capacidad, buscar máquinas o procesos alternativos, comprar capacidad adicional o incluso subcontratar el trabajo en exceso. Un directivo jit reconoce que ni un aumento del stock de seguridad, ni una programación más compleja resolvería el problema fundamental; lo único que hacen es tapar temporalmente los problemas. Cuando un directivo jit observa que los tiempos ciclo son tan largos, intenta identificar los principales problemas que los ocasionan. No se contentará con desear acelerar algunos pedidos, sino que querrá descubrir por qué los plazos

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de fabricación son tan largos. Según nuestra experiencia, los plazos de fabricación largos son el resultado de diversos factores, incluyendo máquinas o procesos que causan cuellos de botella, falta de fiabilidad de las máquinas, control de calidad deficiente (que requiere el reproceso de los artículos que no cumplen los niveles de calidad, una actividad muy cara), y falta de control en la fábrica. Resolviendo estos problemas, se pueden reducir gradualmente los plazos de fabricación. Eliminar despilfarros El segundo objetivo de la filosofía del jit se puede expresar mediante una frase que se utiliza con frecuencia en las fábricas japonesas más eficientes, eliminar despilfarros, en este contexto, significa todo lo que no añada valor al producto. Eliminar todas las actividades que no añadan valor al producto reduce costes, mejora la calidad, reduce los plazos de fabricación y aumenta el nivel de servicio a los clientes. Indirectamente, por supuesto, también puede aumentar las ventas. Eliminar despilfarros implica mucho más que un solo esfuerzo de una vez por todas. Requiere una lucha continua para aumentar gradualmente la eficiencia de la organización y exige la colaboración de una gran parte de la plantilla de la empresa, tiene que llegar a cada rincón de las operaciones de la empresa, es decir, sólo será eficaz si los empleados entienden completamente los conceptos y si se lleva a cabo alguna medida para aplicar la estrategia de eliminación de despilfarros. Ejemplos de operaciones que añaden valor son los procesos cómo cortar metal, soldar, insertar componentes electrónicos, etcétera. Ejemplos de operaciones que no añaden valor son la inspección, el transporte, el almacenaje, la preparación. Tomemos el caso de la inspección y el control de calidad como ejemplos. El enfoque occidental tradicional es tener inspectores estratégicamente situados para examinar las piezas y, si es necesario, interceptarlas. Esto conlleva ciertas desventajas, incluyendo el tiempo que se tarda en inspeccionar

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las piezas y el hecho de que los inspectores muchas veces descubren los fallos cuando ya se ha fabricado un lote entero, con lo cual hay que reprocesar todo el lote o desecharlo, dos soluciones muy caras. El enfoque jit consiste en eliminar la necesidad de una fase de inspección independiente, poniendo énfasis en dos imperativos: 1.

Dado que conseguir productos de alta calidad normalmente no resulta más caro que fabricar productos de baja calidad, todo lo que se necesita es un esfuerzo concentrado para depurar las tendencias que propician la aparición de defectos. Conseguir que el operario asuma la responsabilidad de controlar el proceso y llevar a cabo las medidas correctoras que sean necesarias, proporcionándole pautas que debe intentar alcanzar.

Si comparamos el enfoque occidental tradicional de la inspección y control de calidad con el método jit, podemos ver que el enfoque occidental ha sido determinar unos límites superiores e inferiores (por ejemplo, tolerancias) y si las medidas caen fuera de estos dos límites, el producto se desecha o se reprocesa. El enfoque jit es reducir la desviación de lo nominal ideal, no tolerando ninguna desviación de lo además, traspasa la responsabilidad de detectar y corregir las desviaciones a los operarios que llevan a cabo los procesos. Se espera de ellos que lo hagan bien a la primera y que impidan que los productos se desvíen demasiado de lo nominal. Estas son las características esenciales del control de calidad estadístico. El almacenamiento de las existencias es otro ejemplo de una actividad ineficiente. El coste real del inventario tiene dos vertientes. El primer coste es, naturalmente, el directo en términos de capital y gastos de almacén, y el riesgo de que las existencias se vuelvan obsoletas. Muchas empresas de los países occidentales han supuesto que el coste del inventario se sitúa entre 20 y 30 por ciento al año. El segundo coste, que en las empresas tradicionales occidentales se ha pasado por alto, es el de que las existencias ocultan los problemas. Se relaciona con la filosofía del jit de ir reduciendo gradualmente los niveles de existencias y exponer problemas. En un principio, algunos directivos contemplaban esta

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idea con cierta preocupación porque pensaban que era bueno que el problema permaneciera oculto, ya que una vez expuesto el problema debían hacer algo para solucionarlo. Si los proveedores no entregan los componentes o las materias primas a tiempo y con una buena calidad, un stock de seguridad grande de los componentes o materias primas mantendrá el problema oculto. Esta no es una solución satisfactoria. El stock de seguridad es caro, ocupa espacio y puede volverse obsoleto. Además, hay costes asociados con la devolución de artículos (si la calidad es mala) o reclamar el pedido (si no se entrega a tiempo). Un suministro más frecuente y más fiable puede reducir los stocks de seguridad y también los costes. Si se quieren eliminar las pérdidas con eficacia, el programa de sugerencias debe implicar una participación total de la mayor parte de los empleados. Ello significa que hay que cambiar el enfoque tradicional de decirle a cada empleado exactamente lo que debe hacer, y la filosofía jit pone mucho énfasis en la necesidad de respetar a los trabajadores e incluir sus aportaciones cuando se formulen planes y se hagan funcionar las instalaciones. Sólo de esta forma se podrá utilizar al máximo la experiencia y la pericia de todos los empleados. Este estilo de dirección más participativo puede exigir un ajuste considerable, especialmente por parte de los supervisores y los encargados. Con frecuencia el personal de esta categoría tiene la sensación de que disminuye su base de poder si no se les mantiene plenamente informados del objetivo de los cambios que implica la aplicación del Just in Time. Simplicidad El tercer objetivo de la filosofía jit es buscar soluciones simples. Los enfoques de la gestión de la fabricación que estaban de moda durante la década de 1970 y principios de 1980 se basaban en la premisa de que la complejidad era inevitable. Y a primera vista parece cierto. Un fabricante típico por lotes puede tener varios centenares de éstos simultáneamente en diferentes procesos. Probablemente cada lote implica una cantidad determinada de operaciones independientes y seguramente deberá pasar por la mayor parte de los departamentos

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de la fábrica. Gestionar un sistema de este tipo es extremadamente complejo; las interacciones entre los diferentes trabajos, así como la necesidad de otros recursos, suelen agobiar a la mayoría de los directivos. El jit pone mucho énfasis en la búsqueda de la simplicidad, basándose en el hecho de que es muy probable que los enfoques simples conlleven una gestión más eficaz. El primer tramo del camino hacia la simplicidad cubre dos zonas: • •

Flujo de material. Control.

Un enfoque simple respecto al flujo de material es eliminar las rutas complejas y buscar líneas de flujo más directas, si es posible unidireccionales. La mayoría de las plantas que fabrican basándose en lotes están organizadas según lo que podríamos denominar una disposición por procesos. La mayor parte de los artículos elaborados en esta fábrica de ejemplo seguirían una ruta tortuosa pasando, por ejemplo, del corte de materias primas a los tornos, luego al mandrilado, a la soldadura, al laminado, al tratamiento térmico, al rectificado y al taller de pintura. Normalmente cada proceso implica una considerable cantidad de tiempo de espera que se añade al tiempo que se invierte en el transporte de los artículos de un proceso a otro. Las consecuencias son bien conocidas, una gran cantidad de productos en curso y plazos de fabricación largos. Los problemas que conlleva intentar planificar y controlar una fábrica de este tipo son enormes, y los síntomas típicos son que los artículos retrasados pasan a toda prisa por la fábrica mientras otros, que ya no se necesitan inmediatamente a causa de la cancelación de un pedido o un cambio en las previsiones, se paran y quedan estancados en la fábrica. Estos síntomas tienen muy poco que ver con la eficacia de la gestión. No importa lo bueno que sea un director, tendrá problemas para controlar un sistema de este tipo. La filosofía de la simplicidad del jit examina la fábrica compleja y empieza partiendo de la base de que se puede conseguir muy poco colocando un control complejo encima de una fábrica compleja. En vez de ello, el jit pone énfasis en la necesidad de

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simplificar la complejidad de la fábrica y adoptar un sistema simple de controles. El método principal de conseguir un flujo simple de material en la fábrica es agrupar los productos en familias, utilizando las ideas que hay detrás de la tecnología de grupos y reorganizando los procesos de modo que cada familia de productos se fabrique en una línea de flujo. Se muestra un caso ideal, aunque, generalmente, la línea de flujo a menudo se organiza en forma de U. De esta forma, los elementos de cada familia de productos pueden pasar de un proceso a otro más fácilmente, ya que los procesos están situados de forma adyacente. Probablemente se reducirá así la cantidad de productos en curso y el plazo de fabricación. Surgen también otras ventajas por ejemplo, la gestión resulta mucho más fácil que en el caso de la disposición por procesos, ya que cada línea de flujo es, en gran parte, independiente. Puede haber un subjefe responsable de cada línea de flujo. Además, la calidad tenderá a mejorar; dado que ha disminuido el pánico porque hay menos pedidos urgentes, se puede pasar más tiempo solucionando los problemas de calidad. La filosofía de simplicidad del jit, además de aplicarse al flujo de artículos, también se aplica al control de estas líneas de flujo, en lugar de utilizar un control complejo, pone más énfasis en un control simple. Cuando finalice el trabajo de la última operación, se envía una señal a la operación anterior para comunicarle que debe fabricar más artículos; cuando este proceso se queda sin trabajo, a su vez, envía la señal a su predecesor, etcétera. Este proceso sigue retrocediendo toda la línea de flujo. De esta forma, se arrastra el trabajo a través de la fábrica. Si no se saca trabajo de la operación final no se envían señales a las operaciones precedentes y por tanto no trabajan. Esta es la principal diferencia con respecto a los enfoques anteriores de control de materiales. Si disminuye la demanda, el personal y la maquinaria no producen artículos. Los defensores del jit sugieren que realicen otras tareas como limpiar la maquinaria, hacer ajustes y comprobar si requieren mantenimiento, etcétera. Con los enfoques más tradicionales, la mayor parte de los directivos

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son menos propensos a dejar que el personal y la maquinaria permanezcan inactivos. Se programará trabajo incluso aunque no se necesite en un futuro próximo. Muchas veces no se necesita porque el producto se ha convertido en obsoleto y los productos acabados deben rechazarse. De hecho, el enfoque tradicional consideraba que la principal prioridad era mantener a las máquinas y al personal en activo, incluso a costa de fabricar artículos que sólo contribuirían a aumentar unas existencias ya infladas e incrementar el porcentaje de desecho. El enfoque jit, basándose en el uso de los sistemas tipo arrastre, asegura que la producción no exceda de las necesidades inmediatas, reduciendo así el producto en curso y los niveles de existencias, al mismo tiempo que disminuye los plazos de fabricación. Y el tiempo que de otra forma sería improductivo se invierte en eliminar las fuentes de futuros problemas mediante un programa de mantenimiento preventivo. Conseguir un entorno correcto para que esto ocurra exige un programa global de educación, formación y comunicación. La evidencia de los fabricantes occidentales que han llevado a cabo un programa de este tipo muestra resultados alentadores en la reducción de los plazos de fabricación y los períodos improductivos de la maquinaria. Además, aumenta considerablemente la moral. Las principales ventajas que se pueden obtener del uso de los sistemas jit tipo arrastre/Kanban son las siguientes: • • • • • • •

Reducción de la cantidad de productos en curso. Reducción de los niveles de existencias. Reducción de los plazos de fabricación. Reducción gradual de la cantidad de productos en curso. Identificación de las zonas que crean cuellos de botella. Identificación de los problemas de calidad. Gestión más simple.

Los sistemas de arrastre funcionan por sí solos y su necesidad de un complejo control por ordenador es mucho menor. El flujo de trabajo lo determinan las limitaciones del sistema y no lo que sale de un ordenador. Si, por ejemplo, se

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crea un cuello de botella en una zona, también disminuirá la actividad de los procesos anteriores para evitar que se acumule el trabajo antes del cuello de botella. Las mejoras asociadas con un sistema de arrastre aparecen de forma gradual. Parece que funciona mejor si el sistema se aplica primero con colas bastante largas frente a cada proceso y el nivel del río (productos en curso) disminuye lentamente para reducir los plazos de fabricación. Probablemente las mejoras serán lentas, pero también serán continuas. Establecer sistemas para identificar problemas La filosofía del jit es establecer sistemas para identificar problemas. Hemos visto cómo los sistemas de arrastre/Kanban sacan los problemas a la luz. Otro ejemplo es el uso del control de calidad estadístico que ayuda a identificar la fuente del problema. Con el jit, cualquier sistema que identifique los problemas se considera beneficioso y cualquier sistema que los enmascare, perjudicial. Los sistemas de arrastre/Kanban identifican los problemas y por tanto son beneficiosos. Los enfoques anteriores tradicionales tendían a ocultar los problemas fundamentales y de esta forma retrasar o impedir la solución. La mayoría de los sistemas de fabricación tenían además otros problemas: • • •

Proveedores poco fiables. Falta de calidad. Procesos con cuellos de botella, etcétera.

Los sistemas diseñados con la aplicación del jit deben pensarse de manera que accionen algún tipo de aviso cuando surja un problema. La línea funciona con un nivel de eficiencia determinado, aparece un problema, la línea se detiene y se identifica el problema, se toman medidas correctoras y se pone de nuevo en marcha la línea. Como ya nos hemos enfrentado con el problema y se ha solucionado parcial o totalmente, es poco probable que esta línea tenga de nuevo el mismo problema, con lo que aumentará su eficiencia. En él se puede ver

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fácilmente que el enfoque funciona mediante la acumulación gradual de una serie de pequeños aumentos de la eficiencia. Cuando se combinan suficientes aumentos, el resultado es un incremento importante de la eficiencia. Podemos utilizar alguna de estas ideas en cualquier sistema jit que diseñemos. El objetivo no es sólo disminuir la cantidad de productos en curso y los plazos de fabricación sino también identificar los problemas lo antes posible para obligar a los directivos a tomar medidas correctoras. Por ejemplo, si tenemos un proceso con un cuello de botella, una programación ingeniosa podrá aliviar los síntomas, pero nunca resolverá el problema. De hecho, una programación más compleja simplemente da un rodeo a costa de, por ejemplo, tener más productos en curso, reprogramar el trabajo con otros procesos menos rentables. Y lo que es peor, sirve para ocultar el problema, ya que un directivo puede ser capaz de programar una fábrica con varios cuellos de botella sin verse obligado a reconocer que su operación tiene diversos problemas inherentes que debería identificar y resolver. Para identificar un problema en la forma adecuada, un directivo debería estar dispuesto a pagar el precio en forma de pequeños contratiempos. Si realmente queremos aplicar el jit enserio tenemos que hacer dos cosas: • •

Establecer mecanismos para identificar los problemas. Estar dispuesto a aceptar una reducción de la eficiencia a corto plazo con el fin de obtener una ventaja a largo plazo.

La diferencia entre una empresa típica tradicional y una aplicación jit es grande. El bajo nivel de productos en curso en una buena aplicación del Justo a Tiempo le da a la fábrica un aspecto ordenado, casi desierto. También se puede observar un aumento de la moral y una atmósfera más dedicada. Es posible que muchos directivos consideren en un principio que la necesidad de crear sistemas para identificar problemas es una desventaja potencial. Sin embargo, la experiencia muestra que si se crean estos sistemas y si se resuelven los problemas (que es el primer aspecto de la filosofía jit) se puede mejorar considerablemente el funcionamiento de la empresa.

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Coste/beneficio de la aplicación del justo a tiempo Los enfoques convencionales del control de la fabricación como el mrp exigen grandes inversiones de capital. Por ejemplo, se estima que una aplicación del mrp II puede costar a cada empresa un promedio de más de un millón de dólares. La mayor parte de este coste consiste en hardware y software informático. Normalmente una aplicación de los sistemas mrp implica una secuencia de implantación de 18 meses para resolver los flujos de datos; luego se prueba el sistema en paralelo con el sistema existente, se solucionan los problemas iniciales y finalmente la empresa pasa a utilizar definitivamente el nuevo sistema. En cambio, el jit exige muy poca inversión de capital. Lo que se requiere es una reorientación de las personas respecto a sus tareas. Con la aplicación del Justo a Tiempo, todos los gastos implicados son principalmente gastos de formación. El personal de una empresa debe ser consciente de la filosofía que subyace en el jit, y como influye ésta en su propia función. Pero aunque el coste de una aplicación Justo a Tiempo sea más bajo que el de las aplicaciones típicas del mrp II, la reducción de las existencias es mucho mayor con el sistema jit, muchas aplicaciones consiguen una reducción de 60 a 85 por ciento de las existencias. El Justo a Tiempo no debe considerarse a corto plazo; es decir, no deberíamos utilizarlo durante seis meses y luego parar, ya que es una campaña progresiva que busca un perfeccionamiento continuo. También debemos tener en cuenta que el jit no sólo reduce las existencias, sino que aumenta la calidad, el servicio al cliente y la moral general de la empresa. Todo nos demuestra que el Justo a Tiempo puede resultar muy rentable, con la única condición de que la aplicación esté bien planificada. Relación proveedor-cliente Tanto las relaciones con los proveedores como con los clientes son importantes porque amplían el alcance de la reducción de costes y dan mayor impulso

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a la mejora de la calidad. Por ejemplo, tomar medidas para mejorar la calidad de los componentes de nuestro proveedor reduce las medidas que habrá que tomar cuando nos llegue un lote grande de baja calidad y garantiza que las mejoras en la calidad de los componentes fabricados en la empresa queden secundadas por mejoras comparables de los componentes procedentes de los proveedores externos, con lo cual el producto final será de mejor calidad. Los ahorros pueden ser grandes. Las investigaciones recientes sugieren que en las empresas occidentales los costes de material constituyen 51% de los costes totales, mientras que los costes de mano de obra representan sólo 15 por ciento. El coste de la mano de obra como porcentaje del coste total tiende a disminuir (en muchos sectores los costes de mano de obra están por debajo del 10% de los costes totales), mientras que los costes de materiales tienden a aumentar. Tecnologías como la automatización y la robótica han reducido los costes de mano de obra y muchas empresas están realizando grandes inversiones que los reducirán aún más. En cambio, las empresas sólo están empezando a examinar los aspectos que pueden reducir considerablemente los costes de material. Muchas veces los departamentos de compras se han contentado con una visión a corto plazo, y su respuesta a los cambios de la demanda, a los rechazos o a la obsolescencia ha consistido básicamente en cursar pedidos urgentes a los proveedores. Los clientes son importantes, porque, desde el punto de vista financiero, proporcionan el dinero, desde el punto de vista de la gestión de la fabricación, son la locomotora de todo el proceso de fabricación. Obviamente, sin la demanda de los clientes no habría fabricación. Si se incorporan los clientes en la implantación del jit, se beneficiarán con ello tanto el cliente como la empresa. Por ejemplo, si el cliente puede proporcionar un programa de pedidos en firme para un período de tiempo determinado (suele ser de 6 a 8 semanas), el fabricante, con los cortos plazos de fabricación asociados a menudo al jit, puede trabajar con este programa sabiendo que no habrá cambios, lo que le permitirá reducir los costes. Parte de este ahorro lo puede

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repercutir en el cliente. También pueden derivarse beneficios adicionales al haber más tiempo para concentrarse en la calidad. Vínculos con los proveedores Las compras han sido normalmente la parte más olvidada de la gestión, pero es en ellas donde podemos conseguir considerables ahorros; por término medio, por cada peso que se gasta en mano de obra, se gastan tres en compras. Por tanto, hay muchas más posibilidades para reducir costes en las compras que en la mano de obra (aunque tampoco debemos ignorar este aspecto). En la relación con el proveedor, una manera de eliminar despilfarros, en forma de excedentes de existencias, es reducir las cantidades de los pedidos ya que así se reducirá el tiempo de permanencia en los almacenes. La reducción de las cantidades de pedidos es un aspecto del jit que se aplica a los proveedores, pero hay que realizar algunos cambios para que sea factible: • • •

Minimizar la burocracia. Entregas eslabonadas. Simplificar la gestión de las existencias.

Al reducir las cantidades de los pedidos, estos aumentan, por lo que sólo puede resultar rentable si cambiamos algunos de los mecanismos del suministro. Primero tenemos que simplificar la burocracia para que haya menos papeleo relacionado con los pedidos. Si con cada entrega debemos hacer el mismo papeleo, éste aumentará cuando haya una entrega por semana. Pero se puede reducir, por ejemplo, enviando un solo pedido al mes pero programando entregas parciales diarias o semanales del mismo. Más entregas significan también mayores costes de transporte porque hay que hacer más viajes. Se muestra un sistema de entregas con una base radial, cada proveedor entrega directamente a la planta. Para reducir el coste de enviar volúmenes más pequeños se puede utilizar un sistema eslabonado. Los proveedores se turnan para hacer las entregas a la fábrica, pasando por otros proveedores en el camino.

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Para los proveedores de grandes cantidades, se pueden mantener las entregas directas si las cantidades lo justifican. Este sistema eslabonado exige una cierta organización, pero tiene la ventaja de que disminuye el coste de los envíos. Cuando los artículos llegan a la planta, hay que simplificar la gestión de las existencias de modo que los artículos lleguen rápidamente a las áreas de producción. Esto significa reducir la inspección y el inventario de entradas. Estos importantes cambios en el procedimiento quedan compensados por mejoras de la calidad que, por ejemplo, eliminan la necesidad de realizar inspecciones de recepción. La simplificación de la burocracia y de la gestión de las existencias, junto con las entregas en cadena, son algunos de los cambios necesarios para facilitar los vínculos con el proveedor jit, los principales requisitos que deben cumplir los vínculos con los proveedores jit son: • • •

Alto nivel de calidad. Reducción de las cantidades de los pedidos. Más cortos y más fiables tiempos ciclo.

De esta forma, se contribuye a disminuir los niveles de inventario y la incertidumbre respecto al proveedor de los tiempos ciclo. Si podemos estar seguros de que el proveedor entregará productos de alta calidad a tiempo, podremos reducir nuestro stock de seguridad, junto con la necesidad de inspeccionar los productos que se reciban, y no habrá ninguna interrupción de la producción a causa de artículos de calidad deficiente o de retrasos en las entregas. Varios proveedores o un solo proveedor Hasta ahora, normalmente la mayor parte de los grandes fabricantes han comprado sus componentes a varios proveedores. Esto significa que varios proveedores fabrican la misma pieza. Las ventajas son una mayor seguridad de suministro (el fallo de un proveedor no interrumpirá el suministro) y una reducción del coste (al contar con un mayor poder de negociación). Sin embargo, los que consideran que es mejor tener varios proveedores olvidan tres puntos críticos.

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En primer lugar, pueden ignorar las economías de escala. Si un proveedor puede suministrar una cantidad mayor, el coste será inferior, ya que gran parte de los gastos fijos seguirán siendo los mismos. En segundo lugar, cada proveedor maneja volúmenes más pequeños que si se tratara de un proveedor único, y este volumen puede no ser suficiente para justificar una inversión futura en la mejora de los procesos. En tercer lugar, hay más problemas de gestión al tener que tratar con varios proveedores. El enfoque del jit resalta la necesidad de buscar una sola fuente de suministro. De hecho, subraya continuamente la necesidad de reducir hasta tener un solo proveedor que suministre varias piezas de una “familia”, aumentando así el volumen por cada uno de ellos. De esta forma, se estimulará al proveedor para que haga la inversión necesaria para mejorar sus procesos de fabricación. Con frecuencia, las grandes empresas que estén implantando el jit enviarán un equipo de trabajo a los proveedores (especialmente a los proveedores pequeños) para estudiar sus procesos de fabricación y recomendar cambios. Si se interrumpe el suministro de este proveedor no tiene porque significar que tendremos que interrumpir nuestro propio suministro, siempre que el trabajo de base se haya realizado correctamente. Significa que hay que crear una buena relación con los proveedores, proporcionándoles asistencia técnica cuando sea necesario y comprobando que los proveedores elegidos sean financieramente sólidos y estén bien dirigidos. Si no es así, habrá que seleccionar otro proveedor. Contratos a corto Y largo plazo Tradicionalmente, los departamentos de compras han mirado siempre con recelo los contratos a largo plazo. Significa comprometer a la empresa con un proveedor determinado durante un largo período de tiempo con muy pocas oportunidades de renegociar o buscar proveedores alternativos. Los compradores

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siempre han preferido contratos a corto plazo porque les proporciona una mayor flexibilidad y precios más competitivos. Al final de un contrato a corto plazo, se pueden entablar nuevas negociaciones con varios proveedores, y firmar el contrato con el que oferte el precio más bajo. Desde el punto de vista del proveedor, son preferibles los contratos a largo plazo porque implican menos riesgo. Los contratos a corto plazo pueden ser más costosos porque no ofrecen al proveedor ningún incentivo para invertir en la mejora de los procesos y reducir así los costes. El jit fomenta los contratos a largo plazo con unos pocos proveedores cuidadosamente seleccionados, por las siguientes razones: • • • •

Más fiabilidad en las entregas. Mayores oportunidades de inversión. Productos de mejor calidad. Menor coste.

Se considera que con un contrato a largo plazo es más probable que el proveedor mantenga sus promesas de entrega, frecuentemente a expensas de los contratos a corto plazo con otras empresas. La empresa se convierte en un cliente importante (especialmente si se compra al mismo proveedor una familia de productos) y serán satisfechas primero sus necesidades. También se considera que un contrato a largo plazo ofrece al proveedor una mayor sensación de seguridad. Por tanto, conviene que el proveedor realice alguna inversión para facilitar la producción de la familia de productos, invirtiendo en maquinaria, sistemas de control o en la formación de su personal. En alguna parte de este contrato a largo plazo, se especificarán las fechas de entrega y los niveles de calidad. Antes de aplicar el jit, cuando los contratos se basaban casi exclusivamente en el precio, había quizá pocos incentivos para que los proveedores mejoraran la calidad de sus productos.

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Algunos, incluso, renunciaban a hacer el intento de entregar productos de una calidad aceptable. El contrato a largo plazo especifica los niveles de calidad exigidos (normalmente un nivel cada vez más alto), y a los proveedores no les queda ninguna duda de la importancia de mantener la calidad de los productos. Estas inversiones junto con un mayor volumen de producción para cada proveedor llevan a una reducción de los costes, una parte de la cual beneficia al proveedor y otra parte al comprador. Sin embargo, al implantar el jit es aconsejable no ponerse inmediatamente a firmar contratos a largo plazo. Se tarda tiempo en identificar a los proveedores adecuados y establecer una buena relación con ellos. No se puede pasar de la noche a la mañana de mantener una relación tradicional, a veces antagónica, con los proveedores, al entorno ideal del jit de confianza y cooperación. Se requiere tiempo, y debe ser un cambio gradual hacia contratos a largo plazo. Cualquier jefe de compras que de la noche a la mañana firme contratos a largo plazo, para un gran volumen y con un solo proveedor está poniendo en peligro el futuro de la empresa y de su propia carrera. Este tipo de contratos sólo se puede firmar tras un prolongado periodo de reflexión y análisis. Las empresas que han aplicado el enfoque jit satisfactoriamente con sus proveedores han ido ampliando gradualmente la duración del contrato y poco a poco han consolidado una red de proveedores únicos. Proveedores locales o lejanos El hecho de que los costes de transporte suban mucho más rápido que otros es un argumento cada vez más poderoso en favor de los proveedores locales. Además, los largos tiempos ciclo asociados a los proveedores lejanos reducen la flexibilidad. Cada día que se añade al plazo de fabricación, debido al transporte, amplía el horizonte de planificación. Por tanto, los proveedores pueden eliminar los despilfarros por inventario asociado al plazo de entrega y disminuir el riesgo de entregar grandes cantidades

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de productos defectuosos. Además, el riesgo y la incertidumbre asociados a los tiempos ciclo largos también disminuyen, con lo que el sistema es más flexible a un coste más bajo. Vínculos con los clientes El crear vínculos con los clientes principales constituye el último eslabón de la cadena del jit que pasa a través de los proveedores, la empresa y tiene su punto final en el cliente. Es importante incluir a los clientes en una aplicación del jit, ya que su participación puede mitigar los problemas de planificación. Si, por ejemplo, un cliente importante nos proporciona un programa en firme de sus necesidades con seis semanas de antelación y el plazo de entrega de la empresa es de cinco semanas, se podrán cumplir los plazos con relativa facilidad. Si el cliente sólo nos da un programa en firme con una semana de antelación, la empresa tendrá más problemas para cumplirlo. La función más importante de la creación de vínculos con los clientes es la educación. El cliente debe empezar a darse cuenta de que si pasa un programa en firme con varias semanas de antelación y no lo cambia, podrá tener una relativa seguridad de que se cumplirá dicho programa. Así, se reducen los costes y los trastornos tanto para la empresa como para el cliente. También aquí puede ser útil una reunión/seminario de un día con los principales clientes, para explicar el jit y por qué es necesario disponer de información con antelación sobre las necesidades de los clientes. Desde el punto de vista del cliente, un proveedor que esté aplicando el jit puede reducir sus tiempos ciclo (ofreciendo una buena respuesta a los cambios de la demanda) y mejorar la calidad. Una empresa sin ninguna entrega tarde es el tipo de beneficio que los clientes valoran, pero deben darse cuenta de que tienen que proporcionar un programa

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en firme. De nuevo, un contrato a largo plazo puede ayudar a la empresa. El objetivo global de la creación de vínculos con los clientes es mejorar la respuesta del sistema jit a los cambios en las exigencias del mercado. A su vez, esto puede reducir los costes para el cliente. Tiempo mínimo de preparación El alistamiento es la manera práctica de transitar, de fabricar la cantidad necesaria para un mes, a fabricar diariamente la cantidad necesaria para el día. Consiste en aprender a reducir el tiempo de cada alistamiento de máquinas y luego reinvertir el tiempo ahorrado en alistamiento más frecuente a fin de poder reducir el tamaño de los lotes; los lotes pequeños ayudan a sentar las bases para la aplicación del justo a tiempo. El alistamiento acerca a la fábrica a la meta de producir el artículo de acuerdo con la frecuencia de la demanda y logrando una producción tan pareja y reproducible como sea posible, a fin de alcanzar el equilibrio, la sincronización y el flujo que se necesitan para eliminar las actividades de desperdicio. Las reglas básicas para agilizar el alistamiento:

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¿Qué se está haciendo? Tiene como objetivo simplificar los alistamientos, no evitarlos; mide los alistamientos concentrándose en el tiempo muerto. ¿Para qué se está haciendo la reucción del tiempo de aislamiento? Para reinvertir el tiempo ahorrado en alistamientos más frecuentes. ¿Quién lo esta haciendo? La agilización del alistamiento no es un proyecto de ingeniería, es un proyecto en el cual participan los empleados trabajando en equipo.

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Sistema de control Kanban u operaciones elaboradas El sistema Toyota utiliza únicamente dos tipos de tarjetas (Kanban) para indicar la cantidad y el momento del flujo de materiales: • • •

•

Una tarjeta de movimiento autoriza la transferencia de un recipiente estándar, que contiene una parte específica, de la estación de trabajo donde se produjo la parte a la estación donde será usada. Una tarjeta de producción autoriza la producción de un recipiente estándar de una parte específica en la estación de trabajo desde la cuál se ha transferido un recipiente. Una tarjeta con el recipiente típicamente está marcada con un número de identificación, un número de parte, una descripción de la parte, el lugar de emisión y el número de unidades que contiene el recipiente estándar. Así las tarjetas sustituyen a la computadora en el seguimiento y control del flujo de materiales. Las tarjetas Kanban constituyen un sistema sencillo y flexible de programación que fomenta la buena coordinación entre centros de trabajo en la fabricación repetitiva. La cantidad de material que hay en el sistema se controla teniendo un número prescrito de recipientes circulando en un momento cualquiera. Un centro de trabajo usuario “jala” de los recipientes que están en un centro de trabajo proveedor mediante una tarjeta de movimiento. Por su parte un proveedor no puede “empujar” un recipiente hacia un usuario porque ningún movimiento puede producirse mientras el usuario no se encuentre listo. Cuando lo esté, lo indicará la llegada de una tarjeta de movimiento. Además el proveedor no puede producir hasta que reciba el aviso en forma de una tarjeta de producción.

La diferencia entre un sistema de producción jalando y un sistema de producción empujando es la que hay entre producir por pedido y por programa.

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Producción Libre de defectos El método Kanban exige que la producción se interrumpa cuando se encuentren defectos. Las detenciones se minimizan eliminando las causas principales de los defectos: descuido del operador, fuerza excesiva, procedimientos irregulares y desperdicio. Se ha demostrado que la proporción de productos defectuosos es siempre inferior a 1% si se suprimen estas cuatro causas. Producción por unidad La implantación del Kanban revela por lo general desequilibrios en la producción que pueden ser corregidos igualando el flujo cuando se acumulan los materiales, se producen recargas innecesarias y las entregas son deficientes. Se pueden hacer varios productos diferentes en la misma línea de ensamble ya que cada producto, por ejemplo un automóvil es un lote de uno. Para lograr la producción por unidad, los trabajadores deben conocer varias especialidades, los tiempos de ciclo se tienen que nivelar mediante tareas muy cortas y las instalaciones deben permitir cambios rápidos. Producción integrada Cuando un fabricante de productos finales aplica el método Kanban, sus proveedores deben de estar dispuestos también a adoptar el método. La información completa sobre producción debe fluir entre el usuario y los proveedores, aunque estén separados por grandes distancias. La coordinación resultante aumentará las ganancias de ambos. Las compras justo a tiempo Así como los clientes y los empleados son componentes clave del sistema Justo a Tiempo, los proveedores también son importantes para el proceso. Si

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Kanban como proceso de mejora contínua

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una firma comparte sus necesidades de uso proyectadas con sus proveedores, obtiene un cuadro a largo plazo de las demandas que se harán a los sistemas de producción y distribución. Algunos proveedores están enlazados en línea con un cliente para compartir la programación de la producción y los datos sobre las necesidades de insumos. Esto les permite desarrollar sistemas de nivel de producción. La confianza en el compromiso de entrega del proveedor o del vendedor permite reducciones en los inventarios reguladores. Mantener existencias a nivel del sistema justo a tiempo requiere de entregas frecuentes durante el día. Algunos proveedores incluso entregan en un sitio a lo largo de la línea de producción y no en el puerto de entrada. Cuando los vendedores adoptan prácticas de calidad, pueden pasarse por alto las inspecciones de recibo a la llegada de sus productos. Un resultado mucho mejor es que los proveedores comprendan su propio proceso y que lo controlen de tal manera que hagan las cosas bien la primera vez y reemplacen la inspección con vigilancia. Eliminación del desperdicio en el proceso de compras El objetivo fundamental en la implementación del jat es la eliminación del desperdicio. En el proceso de compras se generan una serie de pasos que no agregan valor al producto, por lo tanto, la filosofía Justo a Tiempo procede a eliminar los siguientes tipos de desperdicios: • • • • • • • •

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Orden de compra. Enmienda a la orden de compra. Las remisiones y los informes de recibos y las facturas. Sacar algo de un camión y colocarlo en un mueble central de recepción. Traslado a una zona de espera. La inspección. Colocación en un depósito. Los recuentos.

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Sacar artículos de un recipiente grande y colocarlo en uno más pequeño. Trasladarlo al punto donde se va a utilizar. Costos de transporte.

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Aseguramiento de la calidad y manufactura de clase mundial 7.1. Organización para el aseguramiento de la calidad Por aseguramiento de la calidad se entiende, las actividades cuyo objetivo es presentar pruebas de que el trabajo relacionado con la calidad se realiza de una manera adecuada. El aseguramiento de la calidad puede abarcar el examen y la supervisión del trabajo sobre la calidad del producto. Esto se hace mediante auditorias, que puede incluir un control situado a mayor nivel que la inspección ordinaria de productos acabados (auditoría de calidad del producto), un control de los procedimientos en uso y de los métodos de trabajo (auditoría de calidad de los sistemas) o un examen de la adecuación la idoneidad y la aplicabilidad del proceso de fabricación (auditoría de calidad del proceso). La responsabilidad por el aseguramiento de la calidad en la forma previa mencionada, debe asignarse a un departamento que no tenga responsabilidad directa en cuanto a la calidad del producto. La siguiente tabla describe el trabajo de un departamento de calidad responsable de coordinar y asegurar. . Lennart, Sandholm, Control total de la calidad, P. 205. 295

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Tabla 16. departamento de calidad Departamento de calidad Área de responsabilidad

Toda la empresa

Organización

Informa directamente al director general

Responsabilidad

Asegurarse de que el trabajo sobre la calidad del producto se lleve a cabo de una manera efectiva y adecuada

Tareas

Desarrollar y sugerir al director general la política de calidad y los objetivos de ésta y darlas a conocer dentro de toda la compañía Asegurarse de que exista una organización adecuada para la calidad en la empresa Desarrollar, junto con todas las partes implicadas, un sistema de calidad que se acomode a la organización y al programa de producción a la compañía Ser responsable de que la política, los objetivos, la organización y el sistema de calidad estén documentados en forma satisfactoria Asegurarse de que exista el personal adecuado para llevar a acabo las actividades de calidad y planeación, así como realizar los programas de formación para este personal en el área de calidad Tratar de fomentar una conciencia positiva y activa de la calidad

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Supervisar y asegurarse de que el trabajo se lleve a cabo de acuerdo con la política establecida, de manera que se alcancen los objetivos fijados. Esto incluye realizar auditorías de calidad, seguir y analizar el desarrollo de los costos, iniciando medidas correctivas y manteniendo las medidas tomadas Informar a la dirección y demás partes interesadas sobre la evolución de la calidad y de los costos de la misma Mantener a la dirección continuamente informada sobre cualquier asunto importante en el área de calidad de la compañía

7.2. Sistema de calidad ISO 9000:2001 En un esfuerzo por mejorar continuamente, el Comité Técnico ISO-TC 176 evalúa periódicamente la adecuación de los documentos pertenecientes a la familia de estándares y referencias conocidas como ISO 9000. Desde su publicación en 1987, se han hecho dos revisiones a los estándares; la anterior versión 1994 y la actual versión 2000. En esta ocasión, no sólo se han realizado cambios en el texto del estándar sino también se ha hecho un cambio en la estructura y enfoque del mismo: se le ha dado un enfoque sistemático o de procesos y se ha cambiado la anterior estructura de 20 cláusulas o requerimientos para dar paso a cinco grandes elementos de proceso de administración del sistema de calidad.

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Interpretación de ISO 9000:2000 Desde la publicación inicial en 1997, las Normas ISO 9000 han obtenido una reputación global como base para el establecimiento de sistemas de gestión de la calidad. Tres de las normas, ISO 9001, 9002 y 9003, fueron ampliamente utilizadas como base para la certificación de sistemas de la calidad. Esto ha dado como resultado, que en la actualidad existan más de 200 000 organizaciones certificadas en todo el mundo, así como muchas más en proceso de definir e implantar sistemas de gestión de la calidad. Dado que los protocolos de ISO requieren que todas las normas sean revisadas al menos cada cinco años para determinar si deben mantenerse, revisarse o anularse, las versiones de 1994 y 2000 de las normas pertenecientes a la familia ISO 9000, están siendo revisadas en la actualidad por el Comité Técnico (ISO/TC 176) para su publicación en el año 2008. Debido a su importancia y a las implicaciones que puede tener para las organizaciones en el ámbito mundial, se está facilitando información a todas las partes interesadas sobre el proceso de revisión desde su fase inicial. Esta información se actualizará periódicamente ya que el proceso de revisión evoluciona desde el estado de Committee Draft (cd) al de Draft International Standards (dis) y, finalmente, a la publicación de las normas propiamente dichas. ISO TC176 (comité técnico) está acelerando la liberación de la revisión del año 2008 de la familia de estándares ISO 9000. El estándar revisado requerirá (para ISO 9001) modificaciones sustanciales y mejoras en los sistemas de administración de la calidad de éstas organizaciones, especialmente en el área de la estructura del control de documentos y datos, tales como la ISO 9004. Consecuentemente, las organizaciones que están buscando registrar su sistema de calidad, también como aquellas ya registradas en la revisión de 2000, ISO 9001 o ISO 9002, deberían estar informadas acerca de las modificaciones a esta serie de estándares.

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Las compañías que actualmente están registradas en el estándar 1994, deberían planear la transición a sistemas de administración de documentos y datos más integrados. El estándar actual (ISO 9000:1994) está basado en un conjunto de 20 cláusulas que contienen el sistema de calidad. En contraste con el estándar original, su sucesor considerará la tendencia hacia los sistemas de administración de la calidad orientados al proceso, la cual es evidente en las organizaciones más progresivas; los estándares ISO 9001 y el ISO 9004 año 2000 se basarán en un modelo de proceso. Principales cambios en la serie de normas ISO 9000 Para poder reflejar los modernos enfoques de gestión y para mejorar las prácticas organizativas habituales se ha encontrado muy útil y necesario la introducción de cambios estructurales en las normas a la vez que se mantienen los requisitos esenciales de las normas vigentes. La familia de Normas ISO 9000 vigente contiene una veintena de normas y documentos. Esta proliferación de normas ha constituido una especial preocupación para los usuarios y clientes de las ISO 9000. Para responder a esta preocupación, el Comité ISO/TC 176 ha acordado que la familia de Normas ISO 9000 del año 2000 esté constituida por cuatro normas básicas complementadas con una serie de informes técnicos. En la medida de lo posible, los puntos clave de las 20 normas vigentes estarán integrados dentro de las cuatro normas básicas, y se tratarán las necesidades sectoriales a la vez que se mantendrá la naturaleza genérica de las normas. Las cuatro normas básicas serán: • • •

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ISO 9000: Sistemas de Gestión de la Calidad - Conceptos y Vocabulario. ISO 9001: Sistemas de Gestión de la Calidad – Requisitos. ISO 9004: Sistemas de Gestión de la Calidad – Directrices.

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•

ISO 10011: Directrices para Auditar Sistemas de la Calidad.

En las nuevas revisiones de las normas habrá una única norma de Requisitos del Sistema de Gestión de la Calidad (ISO 9001) que será aplicable a todas las organizaciones, productos y servicios, y reemplazará a las tres normas de Aseguramiento de la Calidad (ISO 9001, 9002 y 9003) vigentes en la actualidad en su versión de 1994. La norma ISO 9000 integra el vocabulario revisado de la ISO 8402:1994, y los conceptos desarrollados en la norma ISO 9000-1:1994 La norma ISO 9001 será utilizada para la certificación de sistemas de gestión de la calidad y también podrá ser la base de acuerdos contractuales. La adaptación de los requisitos de la norma ISO 9001 estará permitida para omitir requisitos que no apliquen a una organización. La adaptación podría ser realizada por aquellas organizaciones que en la actualidad buscarían la certificación según las normas ISO 9002 ó ISO 9003. La norma ISO 9004 será la norma guía del Sistema de Gestión de la Calidad. Esta norma está diseñada para ir más allá de los requisitos de la gestión de la calidad, hacia una aproximación a la gestión de la calidad en busca de la excelencia organizativa y de los beneficios de las partes interesadas. Esta norma queda por tanto como una norma de recomendaciones, no utilizable en el marco contractual. Sin embargo, el texto de esta norma también podrá servir de base para la autoevaluación. Respecto a la norma ISO 10011 todavía no está disponible su versión revisada. La revisión de las normas ISO 9001 y 9004 se ha basado en ocho principios de gestión de la calidad definidos por el comité técnico, que reflejan las mejores prácticas de gestión y han sido preparadas como directrices para los expertos internacionales en calidad que están participando en la preparación de las nuevas normas.

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Estos ocho principios son: • • • • • • • •

Organización enfocada al cliente. Liderazgo. Participación del personal. Enfoque a proceso. Enfoque del sistema hacia la gestión. Mejora continua. Enfoque objetivo hacia la toma de decisiones. Relación mutuamente beneficiosa con el suministrador.

Las nuevas normas ISO 9000 están siendo reestructuradas para facilitar una introducción más comprensible para el usuario de los sistemas de gestión de la calidad en una organización. La estructura común de ambas normas seguirá el formato típico de los principales procesos de una organización y permitirá que el sistema de gestión de la calidad sea alineado con sus operaciones. Las características incluirán la continuidad y compatibilidad entre las antiguas y nuevas versiones de las normas. La nueva y única norma ISO 9001, eliminará el problema de elegir entre las normas ISO 9001, 9002 y 9003 vigentes. El sistema de gestión de la calidad cubrirá, con la nueva norma ISO 9001, todas las actividades de una organización y esto dará además la seguridad a los clientes de que todos los procesos de una organización han sido tratados. En la nueva ISO 9001 se ha introducido el concepto de la mejora continua para estimular la eficiencia de la organización, incrementar su ventaja competitiva en el mercado y así responder mejor a las necesidades y expectativas de sus clientes. La coherencia de ambas normas permitirá una suave transición a aquellas organizaciones que deseen pasar de la norma ISO 9001 a la norma ISO 9004.

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Estructura La revisión de la familia de normas ISO 9000 incluirá un cambio radical en la estructura de las ISO 9001 e ISO 9004, el cual, aunque mantendrá la esencia de los requisitos originales, unificará los 20 elementos de la ISO 9001:1994 actual y de la guía ISO 9004-1 en cuatro capítulos básicos: • • • •

Responsabilidad de la dirección. Gestión de recursos. Gestión de procesos. Medición, análisis y mejora.

Como ejemplo de bucle vertical, la dirección define los requisitos en el marco de la responsabilidad de la dirección; los recursos necesarios se determinan y aplican dentro de la gestión de recursos; los procesos se establecen e implementan en el marco de la gestión de procesos; los resultados se miden, analizan y mejoran por medio de la medición, análisis y mejora. La revisión por la dirección, cierra el bucle, y el ciclo vuelve a responsabilidades de la dirección para autorizar los cambios e iniciar el proceso de mejora. Como ejemplo de un bucle horizontal importante, el modelo reconoce el hecho de que el cliente juega un importante papel durante el proceso de definición de las necesidades y requisitos. Los procesos de realización de los productos o de prestación de los servicios se llevan a cabo y la satisfacción del cliente es evaluada a través de los resultados de los procesos. Los resultados se usan para mejorar las entradas provenientes de los clientes, completando el proceso del bucle horizontal. Los bucles verticales y horizontales subordinados serán descubiertos o creados cuando se pongan en práctica los procesos principales. El modelo de procesos no trata de reflejar los procesos de forma detallada. Sin embargo, todos los requisitos del sistema de gestión de la calidad encaminados a lograr la conformidad de los productos o servicios pueden ser llevados a cabo dentro del modelo.

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Secuencia Esta relación de la norma y un orden más lógico de los requisitos y directrices, necesarios para enfrentarse con el proceso de orientación de la norma, han introducido modificaciones limitadas a los textos previos. Mejora Continua Tal y como se menciona anteriormente, se ha introducido un requisito adicional de mejora continua en la ISO 9001, así como requisitos adicionales con relación a la tan renombrada adecuación (tailoring) de la norma, la cual es una forma de enfrentarse al amplio espectro de organizaciones y actividades. Satisfacción del cliente Se ha identificado otro nuevo elemento cuyo requisito es ampliar la toma de medidas (ISO 9001) a fin de evaluar la satisfacción del cliente, proporcionando información clave para la mejora continua. Técnicas estadísticas Se espera un efecto similar del uso de las técnicas estadísticas, que también han sido tratadas en la norma ISO 9001, y de la mejora de la comunicación entre la organización y los clientes para clarificar sus requisitos, necesidades y expectativas. Recursos Se ha prestado atención a la necesidad de suministrar y de disponer de los medios necesarios, que incluirán elementos tales como la información, comunicación, infraestructuras y protección del ambiente de trabajo.

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Terminología Debe tenerse en cuenta que han existido cambios en la terminología. Los cambios más importantes tienen que ver con el uso del término organización en lugar de suministrador, todavía utilizado en las normas vigentes, y con el uso de la expresión producto y servicio, ya que los dos términos reflejan ahora su significado original (evitando el uso no natural de producto para incluir también servicio). Este último cambio responde a la necesidad de ser más consistente y coloquial con el uso habitual y el significado de las palabras. Otros cambios Se están también estudiando otros cambios más detallados de naturaleza menos estratégica, siempre y cuando éstos sean posibles, con la intención de simplificar y clarificar los requisitos de las normas vigentes, para hacerlas más amigables para el usar.

7.3. Ingeniería de manufactura La ingeniería de manufactura es una función que lleva acabo el personal técnico, y está relacionado con la planeación de los procesos de manufactura para la producción económica de productos de alta calidad. Su función principal es preparar la transición del producto desde las especificaciones de diseño hasta la manufactura de un producto físico. Su propósito general es optimizar la manufactura dentro de la empresa determinada. El ámbito de la ingeniería de manufactura incluye muchas actividades y responsabilidades que dependen del tipo de operaciones de producción que realiza la organización particular. Entre las actividades usuales están las siguientes: 1.

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Planeación de los procesos.

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2. 3.

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Solución de problemas y mejoramiento continuo. Diseño para capacidad de manufactura.

La plantación de procesos implica determinar los procesos de manufactura más adecuados y el orden en el cual deben realizarse para producir una parte o producto determinado, que se especifican en la ingeniería de diseño. El plan de procesos debe desarrollarse dentro de las limitaciones impuestas por el equipo de procesamiento disponible y la capacidad productiva de la fábrica. Planeación tradicional de procesos Tradicionalmente, la plantación de procesos la llevan acabo ingenieros en manufactura que conocen los procesos particulares que se usan en la fabrica y son capaces de leer dibujos de ingeniería con base en su conocimiento, capacidad y experiencia. Desarrollan los pasos de procesamiento que se requieren en la secuencia más lógica para hacer cada parte. A continuación se mencionan algunos detalles y decisiones requeridas en la plantación de procesos. • • • • • • • •

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Procesos y secuencias. Selección del equipo. Herramientas, matrices, moldes, soporte y medidores. Herramientas de corte y condiciones de corte para las operaciones de métodos. Estándares de trabajo. Estimación de los costos de producción. Estimación de materiales. Distribución de planta y diseño de instalaciones.

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7.4. Manufactura de clase mundial Para competir a nivel mundial, las compañías de manufactura ahora requieren de políticas, prácticas y sistemas que eliminen el desperdicio y logren crear valor para el cliente, donde el valor es percibido por los clientes como una combinación de costo, calidad, disponibilidad del producto, servicio, confiabilidad, tiempo de entrega, entregas a tiempo, etcétera. Ser de clase mundial significa que la compañía puede competir con éxito y lograr utilidades en un ambiente de competencia mundial, en este momento y seguir haciéndolo en el futuro. Compañías que se han catalogado como de clase mundial: Toyota, Sony, Hewlett Packard, ibm, Ford, Cementos de Yaqui, Pepsico, Tecate, tienen características en común: 1. Liderazgo visionario y de campeonato: todas estas compañías tienen un grupo de personas (directores, gerentes) dedicados al mejoramiento continuo, motivan a las personas a trabajar en equipo, identifican y eliminan desperdicios, creando valor para los clientes. Las funciones de éstos cambian para ser entrenadores, facilitadores, maestros, cheeerleader (porristas, animadores), los gerentes dejan su función de sabelotodo y pasan a ser parte del equipo, todos buscando el mismo objetivo, la satisfacción del cliente. 2. Nueva cultura metas y pensamientos: las compañías de clase mundial utilizan Benchmarking para evaluar y conocer las mejores políticas y prácticas de la industria a nivel mundial, algunos ejemplos son: Inventario en proceso: horas no días y menos semanas. Tiempo de ciclo (lead time): horas o días pero no semanas. Rotación de inventarios: 15 o 30 veces al año como mínimo. Rechazos del cliente: 50 partes por millón. Rechazos internos: 200 partes por millón. Entregas a tiempo: 98-99 % cuando menos. Costos de calidad: menos de 3% de las ventas y gastados en prevención no corrección. Tiempo de preparación de máquinas: minutos no horas.

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3. Dirección y plan estratégico a 3 o 5 años: en este plan no sólo se define la dirección y los proyectos para implementar políticas y prácticas de operación, sino que además identifica conocimientos, herramientas y habilidades requeridas para llevar a cabo la implementación efectiva de los planes y proyectos. 4. Involucramiento y compromiso de los empleados: las compañías de clase mundial involucran a los empleados de todos los niveles de la organización y tienen programas de entrenamiento y capacitación para proveerlos de los conocimientos y habilidades necesarias para mejorar, entender e implementar ellos mismos los cambios y tecnologías que acompañan a la filosofía del mejoramiento continuo. Si se cambia el sistema, pero no se desarrolla la persona, lo más seguro es que nada suceda; y en este punto debemos de incluir al sindicato y sus líderes. 5. Desarrollo continuo del recurso humano: estas compañías valoran y aprecian el desarrollo de la experiencia técnica y habilidades administrativas en todos los niveles de la compañía, manifestando el concepto de que la gente es el activo más valioso de la compañía. 6. Integración de objetivos de todos los departamentos: las compañías de clase mundial tienen políticas, prácticas y sistemas de medición que promueven los objetivos y actividades de diferentes áreas funcionales, haciendo énfasis en que la calidad, costo, tiempos de ciclos y servicio al cliente, no solo son compatibles y posibles en todas las áreas de la compañías, sino que además son necesarios y prioritarios. 7. Organizaciones enfocadas por cliente o por producto: las compañías de clase mundial están descentralizando sus operaciones y estructuras organizacionales haciendo las actividades más pequeñas y autosuficientes, están creando unidades estratégicas de negocios donde cada una de éstas es responsable de todas las actividades que se necesiten llevar a cabo y de los resultados financieros. 8. Sistemas y prácticas de buena comunicación: establecen y mantienen sistemas simples y procedimientos que provean que la información sea confiable, a tiempo y que fluya a todo el personal. 9. Soporte para la investigación y la educación: las compañías de clase mundial tienen convenios y una relación muy estrecha con universidades, en

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las cuales promocionan la investigación y el desarrollo para lograr una ventaja competitiva a largo plazo. 10. Desarrollo de productos de acuerdo a las necesidades del cliente: las compañías de clase mundial conocen las necesidades y expectativas actuales y futuras de los clientes. La voz del cliente es escuchada, atendida y comunicada a toda la organización, tanto en un producto existente como en la innovación. 11. Equipos de diferentes áreas: las compañías de clase mundial utilizan personal de diferentes departamentos para formar equipos de trabajo (diseño-manufactura-mercadotecnia) y poder comunicar las necesidades de los clientes a toda la organización para poder entregar los mejores productos en el menor tiempo posible. 12. Responsabilidad individual y mejora continua de calidad: las compañías de clase mundial hace que cada quien sea responsable de su calidad, el departamento de aseguramiento de calidad sirve como soporte y coordina la función de un mejoramiento continuo en toda la organización. 13. Control estadístico del proceso: las compañías de clase mundial utilizan técnicas estadísticas para controlar y verificar el proceso, no utilizan inspección final del producto, utilizan técnicas de prevención y no de corrección. 14. Énfasis en la experimentación e innovación: las compañías de clase mundial están constantemente innovando y experimentando nuevos productos y procesos siempre buscando tener el liderazgo y esto lo hacen con asociaciones o universidades. 15. Sociedades con proveedores que tengan calidad certificada: las compañías de clase mundial establecen una sociedad de ganar-ganar con proveedores que tienen calidad certificada, no se basan en el precio, ni piden tres cotizaciones para ver cual da un precio menor, se basan en la calidad del producto, en las entregas a tiempo, en la disposición de proveedor a entregarnos las cantidades que requerimos, en el tiempo que lo demandamos y en la forma que lo solicitamos. Los proveedores son la parte más crítica para el éxito de una compañía. Debemos tener una relación a largo plazo con ellos. 16. Manufactura celular-flujo continuo: las compañías de manufactura de clase mundial tienen mucho énfasis en estandarizar y simplificar sus

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operaciones para reducir el tiempo de ciclo, el inventario en proceso y buscan los problemas, no los ocultan. 17. Proceso basado en la demanda, no en la capacidad: las compañías de clase mundial reconocen que únicamente se debe fabricar lo que se va a vender, sin importar si algunas máquinas están sin funcionar, al producir con el único fin de tener las máquinas funcionado lo único que se produce son inventarios en proceso, defectos de calidad, tiempos de entrega largos, líneas sin balance y almacenes gigantes. 18. Cambios Set up: Las compañías de clase mundial utilizan la filosofía denominada cambios rápidos de herramienta para lograr producir diferentes artículos en lotes pequeños de producción, no tiene miedo a realizar cambios de modelos, si el cliente lo pide, estas compañías realizan los cambios de Set up. 19. Énfasis en la simlificación y en la estandarización antes de automatizar: estandarizar y simplificar son funciones primordiales antes de automatizar, de otra forma lo único que se consigue es aumentar los problemas y la complejidad de las operaciones. 20. Programas de mantenimiento preventivo y predicativo: las compañías de clase mundial tiene programas de mantenimiento basados en el involucramiento de todo el personal tratando de minimizar la ocurrencia de fallas que interrumpan el proceso. Podríamos resumir los 20 puntos en tres grandes áreas que son involucramiento de los empleados, calidad y operaciones de producción. Como se ve no es difícil que la mayoría de las compañías mexicanas, particularmente las sonorenses sean catalogadas como de clase mundial, pero si no tomamos en cuenta al personal operativo, nada sucederá. Recuerde que el trabajo que agrega valor al producto es el que se realiza en el piso de producción y no en las oficinas de los gerentes, estos se deben de convertir en facilitadores y maestros y no continuar siendo jefes, sino tratar de ser líderes. En medio de la crisis económica, varias empresas mexicanas han tenido que apresurar el paso para adecuarse a las exigencias de los mercados globales. Este

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esfuerzo implica repartir la responsabilidad entre los cuadros directivos y los mandos técnicos, y adoptar aquellos recursos y filosofías que han proliferado en las industrias de todo el mundo que parecen tener por denominador común un rotundo no a la improvisación y un entusiasta sí a la competitividad. Así, para enfrentar la competitividad global, las empresas deben considerar el enfoque de la manufactura de clase mundial. Ante la diversidad éste, ¿Por qué enfrentar la competitividad desde el punto de vista de la manufactura?: 1.

2. 3.

Porque la manufactura y su administración son funciones principales de cualquier organización y está relacionada íntegramente con las demás funciones del negocio. Todas las organizaciones comercializan (venden), financian (contabilizan) y producen (operan). Porque se desea saber la forma en que los bienes y servicios son producidos. La función productiva es el segmento de nuestra sociedad que crea los productos que consumimos. Porque la manufactura y su administración es una de las porciones más costosas de una organización. La Manufactura

La producción o manufactura es la creación de bienes y servicios. La administración de manufactura son las actividades que se relacionan con la creación de bienes y servicios a través de la transformación de insumos en salidas. Las actividades que generan bienes y servicios tienen lugar en todas las organizaciones. “En empresas de manufactura, con la función producción se puede apreciar la elaboración de un producto tangible.” Cuando hacemos referencia a tal actividad se tiende a utilizar el nombre de administración de la producción. En otras organizaciones que no manufacturan productos físicos, la función producción se dice que está escondida. A este tipo de compañías se les llama . Kenneth Dalley, Learn manufacturing, P. 17.

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organizaciones de servicio. La actividad productiva que se lleva a cabo en estas organizaciones es conocida como operaciones o administración de operaciones. La organización productiva es la estructura técnica de las relaciones que deben existir entre las funciones, niveles y actividades de los elementos humanos y materiales de un organismo, con el fin de lograr su mayor eficiencia al transformar la materia prima en productos industriales. De este modo, se crea el concepto de manufactura o fabricación que es la elaboración de productos o servicios al más bajo costo, en el tiempo más breve posible y que cumpla con todas las especificaciones de diseño. Los procesos de manufactura tienen los siguientes objetivos: • •

Objetivo primario (geométrico): un producto de forma, dimensiones y acabado superficial requerido. Objetivo secundario: la eficacia óptima de los recursos empleados para obtener los productos y a su vez, lograr la exactitud de la pieza, economía y rapidez en la ejecución de las actividades, así como la facilidad de fabricación y el menor costo de producción.

Lo anterior se puede resumir como la eliminación del desperdicio. La manufactura y la productividad La búsqueda continua para lograr eliminar el desperdicio es sinónimo de búsqueda de productividad, entendida como aquella capacidad de la sociedad (o empresa) para usar de forma racional y óptima los recursos de que dispone: humanos, naturales, financieros, científicos y tecnológicos que intervienen en la generación de la producción para proporcionar los bienes y servicios que satisfacen las necesidades materiales educativas y culturales de sus integrantes, . Kenneth Dalley, op. cit., p.21.

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de manera que mejore y se eleve el nivel de vida de una persona, clase social o comunidad. Ahora bien, si se desea saber en qué medida se aprovechan los recursos con los que cuenta la empresa es necesario medir la productividad, y esto se logra mediante la relación entre unidades producidas y los insumos empleados para un tipo específico de trabajo, es decir: Producción=Productividad= Insumos. Con base en lo anterior, se dice que aumenta la productividad cuando existe una reducción de los insumos mientras las salidas permanecen constantes, o un incremento de las salidas mientras los insumos permanecen constantes. La productividad se ve afectada por tres factores llamados variables de la productividad. Según Render Y Heizer, dichas variables son: 1. 2. 3.

La mano de obra. Capital. Arte y ciencia de la administración.

Estos tres puntos críticos representan las grandes áreas en que los administradores pueden tomar acciones para mejorar la productividad. Cabe destacar que estos tres puntos son indispensables en la manufactura. a) Mano de obra: la mejora en la contribución de la mano de obra a la productividad es el resultado de una fuerza laboral más sana, mejor educada y mejor fomentada. El incremento de la productividad por la mano de obra se debe al mejoramiento de la calidad de la segunda. Existen cuatro variables claves para mejorar la productividad laboral: • • • •

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Educación básica apropiada para una fuerza laboral efectiva. Dieta de la fuerza laboral. Gastos fijos sociales que permiten la disponibilidad de la fuerza de trabajo, como transporte y sanidad. Mantenimiento y realce de las habilidades laborales en el seno de una tecnología de rápida extensión y conocimiento.

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b) Capital: los seres humanos utilizan herramientas que se proveen mediante la inversión de capital. A medida que los impuestos y la inflación incrementan el costo de capital, la inversión se torna más cara. Cuando se reduce el capital invertido por empleado, se puede esperar una reducción en la productividad. El empleo de mano de obra, más que el capital, puede reducir el desempleo a corto plazo pero hace economías menos productivas, por lo que reduce los sueldos a largo plazo. El intercambio entre el capital y la mano de obra se encuentran en constante fusión. c) Las artes y ciencias de la administración: la administración es un factor de la producción y un recurso económico; las artes y ciencias de la administración proporcionan la mejor oportunidad para el crecimiento en la productividad. La administración incluye mejoras llevadas a cabo por medio de la tecnología y la utilización del conocimiento. Las mejoras pueden llevarse a cabo mediante la aplicación de la tecnología y el uso de nuevos conocimientos que requieren entrenamiento y educación. Una sociedad de conocimientos es aquella en que una gran cantidad de la fuerza laboral ha emigrado de trabajos manuales a trabajos basados en el conocimiento. Debido al constante cambio en la sociedad y el comercio, los requerimientos en educación y entrenamiento se encuentran en constante crecimiento. Esta demanda es el resultado inevitable de la explosión del conocimiento y desarrollo en una sociedad altamente tecnificada. El administrador de manufactura efectivo debe asegurarse de que se utilice el conocimiento y la tecnología disponible. El empleo más efectivo del capital, contra el capital adicional, es importante. El administrador, como catalizador de la productividad, está encargado de llevar a cabo mejoras en la productividad del capital con las restricciones existentes.

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El crecimiento en la productividad en las sociedades de conocimientos necesita administradores que estén bien adaptados a los componentes tecnológicos en el arte y ciencia de la administración. Un país no puede ser competidor de clase mundial con insumos de segunda calidad. Los insumos laborales con baja educación, insumos inadecuados de capital y tecnología anterior, son insumos de segunda clase. La alta productividad y las salidas de alta calidad requieren de insumos de alta calidad. La productividad requiere de misión y estrategia Para lograr una producción eficaz, la organización debe tener una misión y una estrategia. La misión de la organización se define como su propósito, lo que contribuirá a la sociedad. Este propósito es la razón de ser de la organización. Una misión se debe establecer a la luz de las amenazas y oportunidades en el medio ambiente, en las fuerzas y debilidades de la organización. La misión es el concepto sobre el que la empresa sobrevive y establece la razón de ser de la organización. También se puede pensar en la misión como el intento de la estrategia, es decir, lo que la estrategia va a lograr. Una vez que se ha decidido la misión de la organización, cada área funcional dentro de la empresa determinará la misión de soporte. Las misiones de cada función se desarrollan para sostener la misión global de la empresa. Establecida la misión, se puede comenzar con la estrategia y su implementación. La estrategia es un plan de acción de la empresa que le permite lograr sus objetivos (misión). Cada área funcional maneja una estrategia para lograr su objetivo y para ayudar a la organización a lograr su misión en conjunto. El administrador de manufactura identifica lo que puede y no puede realizar. Las empresas evalúan sus esfuerzos y debilidades así como las oportunidades y amenazas del entorno. Entonces, la empresa se sitúa a través de las decisiones, para tener una ventaja competitiva. Las compañías identifican las opciones disponibles para maximizar las oportunidades y minimizar las amenazas. La

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estrategia se evalúa constantemente contra el valor ofrecido por el cliente y las realidades competitivas. El administrador de producción y operaciones desarrolla la estrategia, agrupa las actividades en una estructura organizada, y se asesora con personal que llevará a cabo el trabajo. El administrador trabaja con administradores subordinados para construir planes, presupuestos y programas que instrumentarán estrategias exitosas para lograr la realización de las misiones. El administrador de operaciones ofrece un medio de transformar los insumos en salidas. La transformación puede ser en términos de almacenamiento, transporte, manufactura, y divulgar la información y utilidad del producto o servicio. El trabajo del administrador de operaciones es llevar a cabo una estrategia para que se incremente la productividad del sistema de transformación y proporcione una ventaja competitiva. Para asegurar la máxima contribución de la administración de manufactura a la organización, el departamento de operaciones necesita enfocarse en esas tareas claves que están identificadas como cruciales para su éxito. Cuando la estrategia de manufactura se encuentra bien integrada con otras áreas funcionales de la empresa y soporta los objetivos totales de la compañía, se puede crear una ventaja competitiva. Una función de operaciones bien cimentada y bien administrada incrementa la productividad y genera una ventaja competitiva. La ventaja competitiva implica la creación de un sistema que tiene una ventaja única sobre sus competidores. Más aún, las empresas que compitan en forma satisfactoria dentro de la economía global son conocidas como empresas de clase mundial. La mayoría de las empresas, sean de manufactura o de servicios, tendrán funciones de manufactura de clase mundial. Una función de clase mundial es aquella que obtiene mejoras continuas para satisfacer los requerimientos del cliente. Para contribuir a la ventaja competitiva, haciendo a la organización exitosa en el presente, y proporcionar productos, servicios y empleos en el futuro.

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Hacia la manufactura de clase mundial El camino a seguir para alcanzar la manufactura de clase mundial está formado por cuatro estrategias básicas que son: 1. 2. 3. 4.

Administración de la calidad total (Total Quality Manufacturing, tqm)=cero defectos. Justo a tiempo=cero inventarios. Mantenimiento Productivo Total (MPT)= cero fallas. Procesos de Mejoramiento Continuo (PMC)= cero obsolescencias.

Estas estrategias de decisión están estrechamente ligadas. Todas dependen de todas y por ende no es posible decir cuál es más importante ya que cada una funciona como elemento aglutinador. La Calidad Total (cero defectos) Cuando en una empresa se habla del control de calidad, se refiere a un sector o área de producción donde algunos supervisores controlan la fabricación de los productos. Los lenguajes, códigos e informes aluden a muestras estadísticas, lotes, porcentajes de fallas por cada mil productos, y otras sofisticadas cuestiones por el estilo. A partir del cero defecto del management japonés, del Just in Time, del Kanban y, sobre todo, el milagro de un efectivo consenso para evitar los problemas de calidad, el concepto occidental ha ido cambiando. ¿Pero, cuánto ha cambiado? El cambio será efectivo cuando no se hable de control de calidad de fabricación, sino de calidad total del producto y del servicio que llega al usuario; será real cuando se cubra la garantía del producto y toda la empresa se sienta al servicio del cliente; de ese señor o señora que paga,

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y gracias a cuyo dinero todos cobran sus sueldos y honorarios; será concreto cuando todos los sectores de la compañía estén involucrados en la calidad, y no sólo aquellos vinculados con la fabricación; será posible cuando cada sector se sienta responsable de su tarea, asumiendo que es un sector de servicio de la otra u otras áreas de la empresa que continúan trabajando hasta darle forma final al producto; será viable sólo cuando cada miembro sienta que el producto que se fabrica es su producto y no las porquerías que se fabrican donde trabaja. La calidad total es la versión que asume una cultura vigorosa que trabaja con valores compartidos. Calidad total es, por ejemplo, una secretaria que atiende un reclamo por teléfono y no dice: la persona que atiende estas cosas hoy no ha venido; es un gerente que sale personalmente a ver clientes, usuarios y que realiza en el campo la comprobación de las teóricas ventajas o desventajas competitivas con el producto de otra compañía. Calidad total no es un informe “técnico” de algún laboratorio que dice que las fallas de la muestra realizada son sólo de 5% porque las personas que están en ese porcentaje no comprarán más y tendrán derecho a explicarle a todos los que quieran escucharlos que han sido defraudadas por el fabricante; es una política transparente que involucra a todo canal y lo hace solidario en la actitud de respeto al cliente a través de un producto respetable. Para tener una cultura flexible y ganadora debemos apuntar a valores vigorosos y compartidos, como es la calidad total. Esto quiere decir que cada persona que paga un precio espera una prestación y que no lo engañen. Vender muy barato algo que no satisface las expectativas del comprador será pan para hoy y hambre para mañana. Pero sobre todo, calidad total significa que cada persona de la empresa siente el producto o servicio y sufre cada vez que alguien lo critica o está disconforme con su compra. Calidad total no son vendedoras que tiran las prendas por la cabeza o que hablan con sus compañeras y se ríen de supuestas picardías, mientras que maquinalmente acotan: te queda bárbaro y aprovéchalo que está de oferta. En la actualidad, las culturas que sigan maltratando a los clientes en la atención, los

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reclamos, en la calidad del producto, en las entregas fuera de plazo, en la falta de colores elegidos, o en cualquier cosa que tenga que ver con la lealtad y la identificación del cliente, serán definitivamente culturas débiles y perdedoras. La administración de la calidad total Para contar con un efectivo control total de manufactura se requiere de tres conceptos básicos que son: 1. 2.

3. • • • • • •

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Involucrar al empleado. Hacer Benchmarking involucra la selección de un estándar de desempeño demostrado como el mejor para los procesos o actividades similares a los suyos. La idea es apuntar hacia un objetivo y luego desarrollar un estándar o Benchmarking contra el cual comparar su desempeño. Conocimiento de las herramientas del control total de manufactura. Las seis herramientas que ayudan al esfuerzo del control total de manufactura son: Casa de calidad. Define la relación entre los deseos del cliente y los atributos del producto o servicio. Técnicas taguchi. Es una técnica dirigida al mejoramiento del diseño del producto y del proceso. Gráficas de Pareto. Son un método de organización de errores, problemas o defectos para ayudar a enfocar los esfuerzos en la resolución de problemas. Gráficas de flujo de proceso. Ayudan a entender una secuencia de eventos a través del cual viaja un producto. Diagrama causa-efecto. Identifica posibles ubicaciones en los problemas de calidad y los puntos de inspección. Control estadístico del proceso. Tiene que ver con el monitoreo de estándares, mediciones y toma de acciones correctivas mientras se produce un bien o servicio.

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Justo a Tiempo (cero inventarios) El jit es una estrategia para mejorar de manera permanente la calidad y productividad basada en el potencial de las personas, en la eliminación del desperdicio y en el logro de mayor velocidad en todos los procesos de trabajo. Con esta estrategia se logra la producción o entrega de los elementos necesarios, en la cantidad necesaria y en el momento necesario. Es decir, hay que comprar o producir lo que se necesita y cuando se necesita. El jit tiene como objetivos: • • • • • •

Reducir costos en el proceso productivo. Eliminar existencias innecesarias. Reducir costos de almacenamiento. Responder a las demandas de los clientes. Reducir o eliminar los despilfarros. (En tiempo, materiales, trabajos inútiles). Lograr el mejoramiento de la producción con existencias reducidas.

El desperdicio se elimina a través del proceso llamado “una unidad menos cada vez”. Este proceso tiene como finalidad: • • • – – – – – –

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Analizar y priorizar problemas en forma permanente dentro de la organización. Orientar al personal de todos los niveles a buscar posibles soluciones a los problemas de todos. Generar retroalimentación visual sobre los avances logrados. Los medios empleados para lograr el jit son: El estudio de métodos. La distribución de planta. La medición del trabajo. El mantenimiento total. Control de calidad en el origen. Fomentar las relaciones de colaboración con los proveedores.

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– Crear sistemas de información. – Fomentar las mejoras progresivas. Mantenimiento productivo total (mpt) cero fallas El mpt es el mantenimiento que implica una participación total de los integrantes de la empresa para maximizar la efectividad del equipo. Toma en cuenta la participación de grupos de trabajo definidos con claridad y utiliza los métodos estadísticos conocidos como las seis herramientas principales que sirven de apoyo a la filosofía de cambios rápidos de herramientas para: • • • • •

Maximizar la efectividad del equipo. Establecer el mantenimiento para la vida entera del equipo. Implantarse en áreas de crecimiento gradual. Incluir a cada empleado partiendo desde la alta dirección a los niveles operativos. Motivar y promover la mejora continua.

Procesos de mejoramiento continuo (pmc) El pmc es un conjunto de actividades en la empresa orientada a generar mayores beneficios y a hacer más competitiva la organización, lo que incluye aplicar las acciones necesarias para: – Mayor confiabilidad de los procesos de la empresa. – Obtener mejor tiempo de respuesta. – Disminución del costo. – Reducción de inventarios. – Mejoramiento en manufactura. – Participación superior en el mercado. – Mayor satisfacción del cliente. – Incremento de la moral de los empleados.

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– Incremento de las utilidades y – Menos burocracia. Con base en lo anterior, si se desea tener empresas con categoría de manufactura de clase mundial, es necesario seguir el camino marcado por la reducción del desperdicio, es decir, sin defectos, inventarios, fallas y obsolescencias. Empresas con manufactura de clase mundial ¿De qué hablamos cuando nos referimos a empresas que hacen manufactura de clase mundial? Concretamente hablamos de aquellas que controlan su sector del mercado por proveer en tiempo y forma, productos y o servicios de la mayor calidad al menor costo compatible. En la práctica estas empresas recurrieron a la automatización de los procesos productivos y simultáneamente a la reducción de las pérdidas o derroches de recursos mediante la simplificación de la operatoria. Hoy se acepta que producción y mantenimiento son componentes indivisibles de manufactura y se entiende fácilmente que cualquier programa de calidad que se implemente para el producto debe incluir el mantenimiento porque un equipo que no lo reciba adecuadamente con la intensidad y frecuencia acordes con su antigüedad y criticidad operativa, no podrá generar un producto en el rango estándar requerido. En la dirección de una empresa, en lo que a producción se refiere, no se discute la necesidad de contar con: – La materia prima especificada. – La mano de obra entrenada. – El equipo adecuado. Un proyecto para fabricar un producto debe estar formado:

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Diseño. Método. Costo. Tiempos. Estándares de calidad.

Es decir, no se discute la necesidad de la existencia de una planificación que conjugue todos estos factores. Es posible pensar que en producción un operario: • • • •

Se quede esperando en la línea que alguien le diga cuál es la máquina a utilizar en esa jornada. Vaya al pañol a pedir un material para hacer el producto requerido y se quede allí esperando que se lo busquen y se lo entreguen. Permanezca esperando que se libere la máquina que necesita porque en ese mismo momento otros la están ocupando en otra tarea productiva. Permanezca observando cómo otros trabajan porque asignaron personas en exceso en ese puesto de trabajo.

La respuesta es negativa. Un escenario de trabajo como este, estaría mostrando una empresa sin planificación con un nivel de gastos tan elevado que sin duda la haría no rentable e inviable en un mercado competitivo. Pasando al área de mantenimiento vemos que los recursos a considerar son: – Materiales y repuestos. – Mano de obra entrenada. – Herramientas y equipos adecuados. También aquí deben considerarse: – Diseño de tareas.

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Métodos. Costos. Tiempos. Estándares de calidad.

También aquí se observa la necesidad de contar con una planificación del mantenimiento que debe conjugar estos factores en armonía con los programas productivos, pero no podemos asegurar, como dijimos, al hablar de producción, que esto no se cuestione.

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Bibliografía Dalley Kenneth, Learn manufacturing, México, Libros de bolsillo, 2003. GIL, F.J., Cabrera, J.M., Materiales en Ingeniería, 2ª. ed., México, Alfaomega, 2002. Jean, Jaques La Faye Hardcover, Manufactura justo a tiempo. Un enfoque práctico, México y Continental, 2007. Joseph y Romeral, José Luis, Autómatas Programables Balcells, México, Alfaomega–Marcombo, 2003. O. Grady, P. J, Just in time. Una estrategia fundamental para los jefes de producción, Madrid, McGraw–Hill, 1997. Sandholm Lenart, Control total de calidad, México, Trillas, 1995. Shingo Shigeo, Una revolución en la producción, 2ª. ed., EUA, Productivity Pressire, 2000.

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