Ingeniería de fabricación

Los estudios modernos de ingeniería de fabricación abarcan todos los procesos intermedios necesarios para la producción e integración de los componentes de un producto.

Algunas industrias, como la de los fabricantes de semiconductores y de acero, utilizan el término "fabricación" para referirse a estos procesos.

La automatización se utiliza en diversos procesos de fabricación, como el mecanizado y la soldadura. La fabricación automatizada se refiere a la aplicación de la automatización para producir bienes en una fábrica. Las principales ventajas de la fabricación automatizada para el proceso de fabricación se logran con una implementación eficaz de la automatización e incluyen mayor consistencia y calidad, reducción de los plazos de entrega, simplificación de la producción, menor manipulación, mejora del flujo de trabajo y mayor moral de los trabajadores.

La robótica es la aplicación de la mecatrónica y la automatización para crear robots, que se utilizan frecuentemente en la fabricación para realizar tareas peligrosas, desagradables o repetitivas. Estos robots pueden ser de cualquier forma y tamaño, pero todos están preprogramados e interactúan físicamente con el entorno. Para crear un robot, un ingeniero suele emplear la cinemática (para determinar su rango de movimiento) y la mecánica (para determinar las tensiones internas). Los robots se utilizan ampliamente en la ingeniería de fabricación.

Los robots permiten a las empresas ahorrar en mano de obra, realizar tareas demasiado peligrosas o que requieren demasiada precisión para que los humanos las lleven a cabo de forma rentable, y garantizar una mayor calidad. Muchas empresas emplean líneas de montaje robóticas, y algunas fábricas están tan robotizadas que pueden funcionar de forma autónoma. Fuera del ámbito industrial, los robots se han utilizado en la desactivación de bombas, la exploración espacial y muchos otros campos. También se venden robots para diversas aplicaciones residenciales.

Los ingenieros de fabricación se centran en el diseño, desarrollo y operación de sistemas integrados de producción para obtener productos de alta calidad y económicamente competitivos. ^{[ 2 ]} Estos sistemas pueden incluir equipos de manipulación de materiales, máquinas herramienta, robots o computadoras o redes de computadoras.

Los ingenieros de fabricación poseen un título de asociado o licenciatura en ingeniería con especialización en ingeniería de fabricación. La duración de los estudios para obtener dicho título suele ser de dos a cinco años, seguidos de cinco años más de práctica profesional para obtener la certificación como ingeniero profesional. Trabajar como tecnólogo en ingeniería de fabricación implica una trayectoria profesional más orientada a las aplicaciones.

Los títulos académicos para ingenieros de fabricación suelen ser el de Técnico Superior o Licenciatura en Ingeniería (BE o BEng) y el de Técnico Superior o Licenciatura en Ciencias (BS o BSc). Para los tecnólogos de fabricación, los títulos requeridos son Técnico Superior o Licenciatura en Tecnología (B.TECH) o Técnico Superior o Licenciatura en Ciencias Aplicadas (BASc) en Fabricación, según la universidad. Los másteres en ingeniería de fabricación incluyen el Máster en Ingeniería (ME o MEng) en Fabricación, el Máster en Ciencias (M.Sc) en Gestión de la Fabricación, el Máster en Ciencias (M.Sc) en Gestión Industrial y de la Producción, y el Máster en Ciencias (M.Sc), así como el Máster en Ingeniería (ME) en Diseño, que es una subdisciplina de la fabricación. También se ofrecen cursos de doctorado (PhD o DEng) en fabricación, según la universidad.

El plan de estudios de la licenciatura generalmente incluye cursos de física, matemáticas, informática, gestión de proyectos y temas específicos de ingeniería mecánica y de fabricación. Inicialmente, estos temas abarcan la mayoría, si no todas, las subdisciplinas de la ingeniería de fabricación. Posteriormente, hacia el final de sus estudios, los estudiantes eligen especializarse en una o más subdisciplinas.

El plan de estudios básico para obtener una licenciatura en ingeniería de fabricación o ingeniería de producción incluye el siguiente programa. Este programa está estrechamente relacionado con la ingeniería industrial y la ingeniería mecánica, pero se diferencia por hacer mayor énfasis en la ciencia de la fabricación o la ciencia de la producción. Incluye las siguientes áreas:

Una licenciatura en ingeniería de fabricación generalmente se diferencia de la ingeniería mecánica solo en algunas asignaturas especializadas. Las licenciaturas en ingeniería mecánica se centran más en el proceso de diseño de productos y en productos complejos, lo que requiere mayores conocimientos matemáticos.

La mecánica, en su sentido más general, es el estudio de las fuerzas y sus efectos sobre la materia. Típicamente, la mecánica aplicada a la ingeniería se utiliza para analizar y predecir la aceleración y la deformación (tanto elástica como plástica) de los objetos sometidos a fuerzas (también llamadas cargas) o tensiones conocidas. Las subdisciplinas de la mecánica incluyen:

• Estática , el estudio de cuerpos inmóviles sometidos a cargas conocidas.
• Dinámica (o cinética), el estudio de cómo las fuerzas afectan a los cuerpos en movimiento.
• Mecánica de materiales , el estudio de cómo se deforman diferentes materiales bajo diversos tipos de tensión.
• Mecánica de fluidos , el estudio de cómo reaccionan los fluidos a las fuerzas.
• Mecánica de medios continuos , un método de aplicación de la mecánica que supone que los objetos son continuos (en lugar de discretos).

Si el proyecto de ingeniería consistiera en diseñar un vehículo, se podría emplear la estática para diseñar el chasis y evaluar dónde se concentrarán las tensiones. La dinámica se utilizaría al diseñar el motor para evaluar las fuerzas en los pistones y las levas durante el ciclo de funcionamiento. La mecánica de materiales se emplearía para seleccionar los materiales adecuados para la fabricación del chasis y el motor. La mecánica de fluidos se podría utilizar para diseñar un sistema de ventilación para el vehículo o el sistema de admisión del motor.

La cinemática estudia el movimiento de cuerpos (objetos) y sistemas (grupos de objetos), sin tener en cuenta las fuerzas que lo provocan. El movimiento de una grúa y las oscilaciones de un pistón en un motor son ejemplos de sistemas cinemáticos simples. La grúa es un tipo de cadena cinemática abierta, mientras que el pistón forma parte de un mecanismo cerrado de cuatro barras. Los ingenieros suelen utilizar la cinemática en el diseño y análisis de mecanismos. La cinemática puede emplearse para determinar el rango de movimiento posible de un mecanismo dado o, a la inversa, para diseñar un mecanismo con el rango de movimiento deseado.

El dibujo técnico es el medio por el cual los fabricantes crean instrucciones para la fabricación de piezas. Un dibujo técnico puede ser un modelo informático o un esquema dibujado a mano que muestre todas las dimensiones necesarias para fabricar una pieza, así como notas de montaje, una lista de materiales necesarios y otra información pertinente. Un ingeniero o trabajador cualificado en Estados Unidos que crea dibujos técnicos puede ser denominado dibujante técnico . Históricamente, el dibujo técnico ha sido un proceso bidimensional, pero los programas de diseño asistido por ordenador (CAD) permiten ahora al diseñador crear en tres dimensiones.

Las instrucciones para la fabricación de una pieza deben introducirse en la maquinaria necesaria, ya sea manualmente, mediante instrucciones programadas o utilizando un programa de fabricación asistida por ordenador (CAM) o un programa combinado CAD/CAM. Opcionalmente, un ingeniero también puede fabricar una pieza manualmente utilizando los planos técnicos, pero esto es cada vez menos frecuente con la llegada de la fabricación mediante control numérico computarizado (CNC). Los ingenieros fabrican piezas principalmente de forma manual en las áreas de recubrimientos por pulverización, acabados y otros procesos que no pueden realizarse de forma económica ni práctica con una máquina.

El dibujo técnico se utiliza en casi todas las subdisciplinas de la ingeniería mecánica y de fabricación, así como en muchas otras ramas de la ingeniería y la arquitectura. Los modelos tridimensionales creados con software CAD también se utilizan habitualmente en el análisis de elementos finitos (FEA) y la dinámica de fluidos computacional (CFD).

Las máquinas herramienta emplean algún tipo de herramienta para cortar o dar forma. Todas las máquinas herramienta cuentan con algún sistema para sujetar la pieza de trabajo y guiar el movimiento de sus componentes. La fabricación de metales consiste en la construcción de estructuras metálicas mediante procesos de corte, doblado y ensamblaje.

La fabricación integrada por ordenador (CIM, por sus siglas en inglés) es un método de fabricación que utiliza ordenadores para controlar todo el proceso de producción. La fabricación integrada por ordenador se utiliza en las industrias automotriz, aeronáutica, espacial y naval.

La mecatrónica es una disciplina de ingeniería que se ocupa de la convergencia de sistemas eléctricos, mecánicos y de fabricación. Estos sistemas combinados se conocen como sistemas electromecánicos y son muy comunes. Algunos ejemplos son los sistemas de fabricación automatizados, los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, y diversos subsistemas de aeronaves y automóviles.

El término mecatrónica se suele utilizar para referirse a sistemas macroscópicos, pero los futuristas han predicho la aparición de dispositivos electromecánicos muy pequeños. Estos dispositivos, conocidos como sistemas microelectromecánicos (MEMS), ya se utilizan en automóviles para activar los airbags, en proyectores digitales para obtener imágenes más nítidas y en impresoras de inyección de tinta para crear boquillas de impresión de alta definición. En el futuro, se espera que estos dispositivos se utilicen en diminutos dispositivos médicos implantables y para mejorar la comunicación óptica.

Los cursos de ingeniería textil abordan la aplicación de principios científicos y de ingeniería al diseño y control de todos los aspectos de los procesos, productos y maquinaria relacionados con fibras, textiles y prendas de vestir. Esto incluye materiales naturales y sintéticos, la interacción de los materiales con las máquinas, la seguridad y la salud, el ahorro energético y el control de residuos y contaminación. Además, los estudiantes adquieren experiencia en el diseño y la distribución de plantas, el diseño y la mejora de maquinaria y procesos húmedos, y el diseño y la creación de productos textiles. A lo largo del plan de estudios de ingeniería textil, los estudiantes cursan asignaturas de otras disciplinas de ingeniería, como la mecánica, la química, la de materiales y la industrial.

Los materiales compuestos avanzados (ACM, por sus siglas en inglés) también se conocen como compuestos de matriz polimérica avanzada. Estos se caracterizan generalmente por fibras de resistencia excepcionalmente alta con una rigidez o módulo de elasticidad también excepcionalmente alto, en comparación con otros materiales, y unidas por matrices más débiles. Los materiales compuestos avanzados tienen amplias y probadas aplicaciones en los sectores aeronáutico, aeroespacial y de equipamiento deportivo. Más concretamente, los ACM resultan muy atractivos para componentes estructurales de aeronaves y aeroespaciales. La fabricación de ACM es una industria multimillonaria a nivel mundial. Los productos compuestos abarcan desde monopatines hasta componentes del transbordador espacial. La industria se puede dividir generalmente en dos segmentos básicos: compuestos industriales y compuestos avanzados.

Un sistema de fabricación flexible (FMS, por sus siglas en inglés) es un sistema de fabricación que posee cierto grado de flexibilidad, lo que le permite reaccionar ante cambios, tanto previstos como imprevistos. Esta flexibilidad se suele clasificar en dos categorías, cada una con numerosas subcategorías. La primera, denominada flexibilidad de máquina, abarca la capacidad del sistema para modificarse y producir nuevos tipos de productos, así como la capacidad de cambiar el orden de las operaciones ejecutadas en una pieza. La segunda categoría, denominada flexibilidad de enrutamiento, consiste en la capacidad de utilizar varias máquinas para realizar la misma operación en una pieza, además de la capacidad del sistema para absorber cambios a gran escala, como variaciones en el volumen, la capacidad o la productividad.

La mayoría de los sistemas FMS constan de tres sistemas principales. Las máquinas de trabajo, que suelen ser máquinas CNC automatizadas, están conectadas mediante un sistema de manipulación de materiales para optimizar el flujo de piezas y a un ordenador de control central, que gestiona los movimientos de los materiales y el flujo de la máquina. La principal ventaja de un FMS es su gran flexibilidad para gestionar los recursos de fabricación, como el tiempo y el esfuerzo, necesarios para producir un nuevo producto. La mejor aplicación de un FMS se encuentra en la producción de pequeños lotes de productos a partir de la producción en masa.

La fabricación integrada por ordenador (CIM, por sus siglas en inglés) en ingeniería es un método de fabricación en el que todo el proceso de producción está controlado por ordenador. Los métodos de proceso tradicionalmente separados se unen mediante un ordenador gracias a la CIM. Esta integración permite que los procesos intercambien información e inicien acciones. Mediante esta integración, la fabricación puede ser más rápida y con menos errores, aunque la principal ventaja reside en la capacidad de crear procesos de fabricación automatizados. Normalmente, la CIM se basa en procesos de control de bucle cerrado que reciben información en tiempo real de sensores. También se conoce como diseño y fabricación flexibles.

La soldadura por fricción-agitación fue descubierta en 1991 por el Instituto de Soldadura . Esta innovadora técnica de soldadura en estado estacionario (sin fusión) une materiales que antes eran imposibles de soldar, incluyendo varias aleaciones de aluminio . Podría desempeñar un papel importante en la construcción futura de aviones, reemplazando potencialmente los remaches. Entre los usos actuales de esta tecnología se incluyen la soldadura de las juntas del tanque externo principal de aluminio del transbordador espacial, el prototipo del vehículo tripulado Orion, los vehículos de lanzamiento desechables Boeing Delta II y Delta IV y el cohete SpaceX Falcon 1; el blindaje de buques de asalto anfibio; y la soldadura de las alas y los paneles del fuselaje del nuevo avión Eclipse 500 de Eclipse Aviation, entre una gama de usos cada vez mayor.

Otras áreas de investigación incluyen el diseño de productos , los MEMS (sistemas microelectromecánicos), la producción ajustada , los sistemas de fabricación inteligentes, la fabricación ecológica, la ingeniería de precisión y los materiales inteligentes, entre otros.