La ingeniería de fabricación o ingeniería de producción es una rama de la ingeniería profesional que comparte muchos conceptos e ideas comunes con otros campos de la ingeniería como la ingeniería mecánica, química, eléctrica e industrial. La ingeniería de fabricación requiere la capacidad de planificar las prácticas de fabricación; investigar y desarrollar herramientas, procesos, máquinas y equipos; e integrar las instalaciones y sistemas para producir productos de calidad con el gasto óptimo de capital. [1]
El enfoque principal del ingeniero de fabricación o producción es convertir la materia prima en un producto nuevo o actualizado de la manera más efectiva, eficiente y económica posible. Un ejemplo sería una empresa que utiliza tecnología integrada por computadora para poder producir su producto de manera que sea más rápido y utilice menos mano de obra humana.
Ingeniería de Manufactura se basa en habilidades básicas de ingeniería industrial e ingeniería mecánica , agregando elementos importantes de la mecatrónica, el comercio, la economía y la gestión empresarial. Este campo también se ocupa de la integración de diferentes instalaciones y sistemas para la producción de productos de calidad (con gasto óptimo) aplicando los principios de la física y los resultados de estudios de sistemas de fabricación, como los siguientes:
Los ingenieros de fabricación desarrollan y crean artefactos físicos, procesos de producción y tecnología. Es un área muy amplia que incluye el diseño y desarrollo de productos. La ingeniería de fabricación se considera una subdisciplina de la ingeniería industrial / ingeniería de sistemas y tiene fuertes superposiciones con la ingeniería mecánica . El éxito o el fracaso de los ingenieros de fabricación impactan directamente el avance de la tecnología y la difusión de la innovación. Este campo de la ingeniería de fabricación surgió de la disciplina de herramientas y matrices a principios del siglo XX. Se expandió enormemente a partir de la década de 1960, cuando los países industrializados introdujeron fábricas con:
1. Máquinas herramienta de control numérico y sistemas automatizados de producción.
2. Métodos estadísticos avanzados de control de calidad : Estas fábricas fueron iniciadas por el ingeniero eléctrico estadounidense William Edwards Deming , quien inicialmente fue ignorado por su país de origen. Los mismos métodos de control de calidad convirtieron posteriormente a las fábricas japonesas en líderes mundiales en rentabilidad y calidad de producción.
3. Robots industriales en las fábricas, introducidos a finales de la década de 1970: estos brazos de soldadura y pinzas controlados por computadora podían realizar tareas simples como colocar la puerta de un automóvil de manera rápida y sin problemas las 24 horas del día. Esto redujo los costos y mejoró la velocidad de producción.
La historia de la ingeniería de fabricación se remonta a las fábricas de mediados del siglo XIX en Estados Unidos y del Reino Unido en el siglo XVIII. Aunque en China, la antigua Roma y Oriente Medio se establecieron grandes centros de producción doméstica y talleres, el Arsenal de Venecia constituye uno de los primeros ejemplos de fábrica en el sentido moderno de la palabra. Fundada en 1104 en la República de Venecia, varios cientos de años antes de la Revolución Industrial , esta fábrica producía barcos en masa en líneas de montaje utilizando piezas manufacturadas. Al parecer, el Arsenal de Venecia producía casi un barco cada día y, en su apogeo, empleaba a 16.000 personas.
Muchos historiadores consideran la Soho Manufactory de Matthew Boulton (establecida en 1761 en Birmingham) como la primera fábrica moderna. Se pueden hacer afirmaciones similares sobre la fábrica de seda de John Lombe en Derby (1721) o la fábrica de Cromford Mill de Richard Arkwright (1771). El Cromford Mill fue construido específicamente para acomodar el equipo que contenía y llevar el material a través de los diversos procesos de fabricación.
Un historiador, Jack Weatherford , sostiene que la primera fábrica estuvo en Potosí . La fábrica de Potosí aprovechó la abundante plata que se extraía en las cercanías y procesó lingotes de plata para convertirlos en monedas.
Las colonias británicas del siglo XIX construyeron fábricas simplemente como edificios donde se reunía un gran número de trabajadores para realizar trabajos manuales, generalmente en la producción textil. Esto resultó más eficiente para la administración y distribución de materiales a los trabajadores individuales que los métodos anteriores de fabricación, como las industrias artesanales o el sistema de producción.
Las fábricas de algodón utilizaron inventos como la máquina de vapor y el telar mecánico para ser pioneros en las fábricas industriales del siglo XIX, donde las máquinas herramienta de precisión y las piezas reemplazables permitieron una mayor eficiencia y menos desperdicio. Esta experiencia formó la base para los estudios posteriores de ingeniería de fabricación. Entre 1820 y 1850, las fábricas no mecanizadas suplantaron a los talleres artesanales tradicionales como forma predominante de institución manufacturera.
Henry Ford revolucionó aún más el concepto de fábrica y, por tanto, la ingeniería de fabricación a principios del siglo XX con la innovación de la producción en masa. Trabajadores altamente especializados situados a lo largo de una serie de rampas rodantes construirían un producto como (en el caso de Ford) un automóvil. Este concepto redujo drásticamente los costos de producción de prácticamente todos los bienes manufacturados y provocó la era del consumismo.
Los estudios de ingeniería de fabricación moderna incluyen todos los procesos intermedios necesarios para la producción e integración de los componentes de un producto.
Algunas industrias, como las de semiconductores y las de acero , utilizan el término "fabricación" para estos procesos.
La automatización se utiliza en diferentes 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 obtienen con la implementación eficaz de la automatización e incluyen: mayor consistencia y calidad, reducción de los plazos de entrega, simplificación de la producción, reducción de la manipulación, mejora del flujo de trabajo y mejora de la moral de los trabajadores.
La robótica es la aplicación de la mecatrónica y la automatización para crear robots, que a menudo se utilizan en la fabricación para realizar tareas peligrosas, desagradables o repetitivas. Estos robots pueden tener cualquier forma y tamaño, pero todos están preprogramados e interactúan físicamente con el mundo. Para crear un robot, un ingeniero suele emplear cinemática (para determinar el rango de movimiento del robot) y mecánica (para determinar las tensiones dentro del robot). Los robots se utilizan ampliamente en la ingeniería de fabricación.
Los robots permiten a las empresas ahorrar dinero en mano de obra, realizar tareas que son demasiado peligrosas o demasiado precisas para que los humanos las realicen de forma económica y garantizar una mejor calidad. Muchas empresas emplean líneas de montaje de robots y algunas fábricas están tan robotizadas que pueden funcionar por sí mismas. Fuera de la fábrica, se han empleado robots en desactivación de bombas, 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 económicamente competitivos y de alta calidad. [2] Estos sistemas pueden incluir equipos de manipulación de materiales, máquinas herramienta, robots o incluso ordenadores o redes de ordenadores.
Los ingenieros de fabricación poseen un título de asociado o una licenciatura en ingeniería con especialización en ingeniería de fabricación. La duración de los estudios para dicho título suele ser de dos a cinco años, seguidos de cinco años más de práctica profesional para calificar como ingeniero profesional. Trabajar como tecnólogo en ingeniería de fabricación implica un camino de calificación más orientado a las aplicaciones.
Los títulos académicos para ingenieros de fabricación suelen ser Asociado o Licenciado en Ingeniería, [BE] o [BEng], y Asociado o Licenciado en Ciencias, [BS] o [BSc]. Para los tecnólogos de fabricación, los títulos requeridos son Asociado o Licenciatura en Tecnología [B.TECH] o Asociado o Licenciatura en Ciencias Aplicadas [BASc] en Fabricación, según la universidad. Las maestrías en ingeniería de fabricación incluyen Maestría en Ingeniería [ME] o [MEng] en Manufactura, Maestría en Ciencias [M.Sc] en Gestión de Manufactura, Maestría en Ciencias [M.Sc] en Gestión Industrial y de Producción y Maestría en Ciencias [ M.Sc] así como Maestría en Ingeniería [ME] en Diseño, que es una subdisciplina de fabricación. También se encuentran disponibles cursos de nivel doctorado [PhD] o [DEng] en fabricación, según la universidad.
El plan de estudios de pregrado generalmente incluye cursos de física, matemáticas, informática, gestión de proyectos y temas específicos en ingeniería mecánica y de fabricación. Inicialmente, estos temas cubren la mayoría, si no todas, las subdisciplinas de la ingeniería de fabricación. Luego, los estudiantes eligen especializarse en una o más subdisciplinas hacia el final de su trabajo de grado.
El plan de estudios fundamental para una Licenciatura en Ingeniería de Manufactura o Ingeniería de Producción incluye el plan de estudios que se menciona a continuación. Este plan de estudios está estrechamente relacionado con la Ingeniería Industrial y la Ingeniería Mecánica, pero se diferencia por poner más énfasis en las Ciencias de la Fabricación o las Ciencias de la Producción. Incluye las siguientes áreas:
Un título en Ingeniería de Manufactura generalmente se diferencia de la Ingeniería Mecánica en solo unas pocas clases especializadas. Los títulos de Ingeniería Mecánica se centran más en el proceso de diseño de productos y en productos complejos que requieren más experiencia matemática.
Certificación y licencia:
En algunos países, "ingeniero profesional" es el término para los ingenieros registrados o con licencia a quienes se les permite ofrecer sus servicios profesionales directamente al público. Ingeniero Profesional , abreviado (PE - EE. UU.) o (PEng - Canadá), es la designación para la licencia en América del Norte. Para calificar para esta licencia, un candidato necesita una licenciatura de una universidad reconocida por ABET en los EE. UU., una calificación aprobatoria en un examen estatal y cuatro años de experiencia laboral generalmente obtenida a través de una pasantía estructurada. En EE.UU., los graduados más recientes tienen la opción de dividir este proceso de obtención de licencia en dos segmentos. El examen de Fundamentos de Ingeniería (FE) a menudo se realiza inmediatamente después de la graduación y el examen de Principios y Práctica de Ingeniería se realiza después de cuatro años de trabajo en un campo de ingeniería elegido.
Certificación de la Sociedad de Ingenieros de Manufactura (SME) (EE. UU.):
La PYME administra cualificaciones específicas para la industria manufacturera. Estas no son calificaciones a nivel de grado y no están reconocidas a nivel de ingeniería profesional. La siguiente discusión se refiere únicamente a las calificaciones en los EE. UU. Los candidatos calificados para el Certificado de Tecnólogo de Fabricación Certificado (CMfgT) deben aprobar un examen de opción múltiple de 130 preguntas de tres horas de duración. El examen cubre matemáticas, procesos de fabricación, gestión de fabricación, automatización y temas relacionados. Además, un candidato debe tener al menos cuatro años de educación combinada y experiencia laboral relacionada con la fabricación.
Ingeniero de Manufactura Certificado (CMfgE) es una calificación de ingeniería administrada por la Sociedad de Ingenieros de Manufactura, Dearborn, Michigan, EE. UU. Los candidatos que califican para una credencial de Ingeniero de Manufactura Certificado deben aprobar un examen de opción múltiple de 180 preguntas de cuatro horas de duración que cubre temas más profundos que el examen CMfgT. Los candidatos de CMfgE también deben tener ocho años de educación combinada y experiencia laboral relacionada con la fabricación, con un mínimo de cuatro años de experiencia laboral.
Gerente de Ingeniería Certificado (CEM). El Certificado de Gerente de Ingeniería Certificado también está diseñado para ingenieros con ocho años de educación combinada y experiencia en fabricación. La prueba tiene una duración de cuatro horas y 160 preguntas de opción múltiple. El examen de certificación CEM cubre procesos comerciales, trabajo en equipo, responsabilidad y otras categorías relacionadas con la gestión.
Muchas empresas manufactureras, especialmente aquellas en países industrializados, han comenzado a incorporar programas de ingeniería asistida por computadora (CAE) en sus procesos de diseño y análisis existentes, incluido el diseño asistido por computadora (CAD) de modelado sólido 2D y 3D. Este método tiene muchos beneficios, incluida una visualización más sencilla y exhaustiva de los productos, la capacidad de crear conjuntos virtuales de piezas y facilidad de uso en el diseño de tolerancias y interfaces de acoplamiento.
Otros programas CAE comúnmente utilizados por los fabricantes de productos incluyen herramientas de gestión del ciclo de vida del producto (PLM) y herramientas de análisis utilizadas para realizar simulaciones complejas. Se pueden utilizar herramientas de análisis para predecir la respuesta del producto a las cargas esperadas, incluida la vida por fatiga y la capacidad de fabricación. Estas herramientas incluyen análisis de elementos finitos (FEA), dinámica de fluidos computacional (CFD) y fabricación asistida por computadora (CAM).
Al utilizar programas CAE, un equipo de diseño mecánico puede iterar de forma rápida y económica el proceso de diseño para desarrollar un producto que cumpla mejor con los costos, el rendimiento y otras limitaciones. No es necesario crear ningún prototipo físico hasta que el diseño esté casi terminado, lo que permite evaluar cientos o miles de diseños, en lugar de relativamente pocos. Además, los programas de análisis CAE pueden modelar fenómenos físicos complicados que no se pueden resolver manualmente, como la viscoelasticidad , el contacto complejo entre piezas acopladas o flujos no newtonianos.
Así como la ingeniería de fabricación está vinculada con otras disciplinas, como la mecatrónica, la optimización del diseño multidisciplinario (MDO) también se utiliza con otros programas CAE para automatizar y mejorar el proceso de diseño iterativo. Las herramientas MDO envuelven los procesos CAE existentes, permitiendo que la evaluación del producto continúe incluso después de que el analista se vaya a casa por el día. También utilizan sofisticados algoritmos de optimización para explorar de manera más inteligente posibles diseños y, a menudo, encuentran soluciones mejores e innovadoras a problemas difíciles de diseño multidisciplinario.
La ingeniería de fabricación es una disciplina extremadamente importante a nivel mundial. Tiene diferentes nombres en diferentes países. En Estados Unidos y la Unión Europea continental se le conoce comúnmente como Ingeniería Industrial y en Reino Unido y Australia se le llama Ingeniería de Manufactura [3]
La mecánica, en el sentido más general, es el estudio de las fuerzas y sus efectos sobre la materia. Normalmente, la ingeniería mecánica se utiliza para analizar y predecir la aceleración y deformación (tanto elástica como plástica) de objetos sometidos a fuerzas (también llamadas cargas) o tensiones conocidas. Las subdisciplinas de la mecánica incluyen:
Si el proyecto de ingeniería fuera a diseñar un vehículo, se podría emplear estática para diseñar el bastidor del vehículo con el fin de evaluar dónde serán más intensas las tensiones. La dinámica podría usarse al diseñar el motor del automóvil para evaluar las fuerzas en los pistones y las levas a medida que el motor funciona. Se podría utilizar la mecánica de materiales para elegir los materiales apropiados para la fabricación del bastidor y el motor. La mecánica de fluidos podría usarse para diseñar un sistema de ventilación para el vehículo o para diseñar el sistema de admisión del motor.
La cinemática es el estudio del movimiento de cuerpos (objetos) y sistemas (grupos de objetos), ignorando las fuerzas que causan el movimiento. El movimiento de una grúa y las oscilaciones de un pistón en un motor son sistemas cinemáticos simples. La grúa es un tipo de cadena cinemática abierta, mientras que el pistón forma parte de un varillaje cerrado de cuatro barras. Los ingenieros suelen utilizar la cinemática en el diseño y análisis de mecanismos. La cinemática se puede utilizar para encontrar el posible rango de movimiento para un mecanismo determinado o, trabajando a la inversa, se puede usar para diseñar un mecanismo que tenga un rango de movimiento deseado.
El dibujo o dibujo técnico es el medio por el cual los fabricantes crean instrucciones para fabricar piezas. Un dibujo técnico puede ser un modelo por computadora o un esquema dibujado a mano que muestra todas las dimensiones necesarias para fabricar una pieza, así como notas de montaje, una lista de materiales necesarios y otra información pertinente. Un ingeniero estadounidense o un trabajador calificado que crea dibujos técnicos puede denominarse dibujante o dibujante . Históricamente, el dibujo ha sido un proceso bidimensional, pero los programas de diseño asistido por computadora (CAD) ahora permiten al diseñador crear en tres dimensiones.
Las instrucciones para fabricar una pieza deben enviarse a la maquinaria necesaria, ya sea manualmente, mediante instrucciones programadas o mediante el uso de un programa de fabricación asistida por computadora (CAM) o combinado CAD/CAM. Opcionalmente, un ingeniero también puede fabricar manualmente una pieza utilizando los dibujos técnicos, pero esto se está convirtiendo en una rareza cada vez mayor con la llegada de la fabricación controlada numéricamente por computadora (CNC). Los ingenieros fabrican principalmente piezas manualmente en las áreas de recubrimientos por pulverización, acabados y otros procesos aplicados que no pueden realizarse económica o prácticamente mediante una máquina.
El dibujo se utiliza en casi todas las subdisciplinas de la ingeniería mecánica y de fabricación, y en muchas otras ramas de la ingeniería y la arquitectura. Los modelos tridimensionales creados con software CAD también se utilizan comúnmente en análisis de elementos finitos (FEA) y dinámica de fluidos computacional (CFD).
Las máquinas herramienta emplean algún tipo de herramienta que corta o da forma. Todas las máquinas herramienta tienen algún medio para sujetar la pieza de trabajo y proporcionar un movimiento guiado de las partes de la máquina. La fabricación de metales es la construcción de estructuras metálicas mediante procesos de corte, doblado y ensamblaje.
La fabricación integrada por computadora (CIM) es el enfoque de fabricación que consiste en utilizar computadoras para controlar todo el proceso de producción. La fabricación integrada por computadora se utiliza en las industrias automotriz, de aviación, espacial y de construcción 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 están muy extendidos. Los ejemplos incluyen sistemas de fabricación automatizados, sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, y diversos subsistemas de aviones y automóviles.
El término mecatrónica se utiliza habitualmente para referirse a sistemas macroscópicos, pero los futuristas han predicho la aparición de dispositivos electromecánicos muy pequeños. Estos pequeños dispositivos, conocidos como sistemas microelectromecánicos (MEMS), ya se utilizan en automóviles para iniciar el despliegue de bolsas de aire, en proyectores digitales para crear imágenes más nítidas y en impresoras de inyección de tinta para crear boquillas para impresión de alta definición. En el futuro se espera que estos dispositivos se utilicen en pequeños 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 de fibras, textiles y prendas de vestir. Estos incluyen materiales naturales y artificiales, interacción de materiales con máquinas, seguridad y salud, conservación de energía y control de desechos y contaminación. Además, los estudiantes obtienen experiencia en diseño y disposición de plantas, diseño y mejora de máquinas y procesos húmedos, y diseño y creación de productos textiles. A lo largo del plan de estudios de ingeniería textil, los estudiantes toman clases de otras ingenierías y disciplinas que incluyen: ingeniería mecánica, química, de materiales e industrial.
Los materiales compuestos avanzados (ingeniería) (ACM) también se conocen como compuestos avanzados de matriz polimérica. Estos generalmente se caracterizan o están determinados por fibras de resistencia inusualmente alta con características de rigidez o módulo de elasticidad inusualmente altas, en comparación con otros materiales, mientras están unidas por matrices más débiles. Los materiales compuestos avanzados tienen aplicaciones amplias y probadas en los sectores aeronáutico, aeroespacial y de equipamiento deportivo. Aún más específicamente, los ACM son muy atractivos para piezas estructurales de aviones y aeroespaciales. La fabricación de ACM es una industria multimillonaria en todo el mundo. Los productos compuestos van desde patinetas hasta componentes del transbordador espacial. La industria se puede dividir generalmente en dos segmentos básicos, compuestos industriales y compuestos avanzados.
La ingeniería de fabricación es solo una faceta de la industria de fabricación de ingeniería. Los ingenieros de fabricación disfrutan mejorando el proceso de producción de principio a fin. Tienen la capacidad de tener en cuenta todo el proceso de producción mientras se centran en una parte particular del proceso. Los estudiantes exitosos en programas de grado en ingeniería de manufactura se inspiran en la noción de comenzar con un recurso natural, como un bloque de madera, y terminar con un producto útil y valioso, como un escritorio, producido de manera eficiente y económica.
Los ingenieros de fabricación están estrechamente relacionados con los esfuerzos de ingeniería y diseño industrial. Ejemplos de empresas importantes que emplean ingenieros de fabricación en los Estados Unidos incluyen General Motors Corporation, Ford Motor Company, Chrysler, Boeing , Gates Corporation y Pfizer. Los ejemplos en Europa incluyen Airbus , Daimler, BMW , Fiat, Navistar International y Michelin Tyre.
Las industrias donde generalmente se emplean ingenieros de fabricación incluyen:
Un sistema de fabricación flexible (FMS) es un sistema de fabricación en el que existe cierta flexibilidad que permite al sistema reaccionar a los cambios, ya sean previstos o imprevistos. Generalmente se considera que esta flexibilidad se divide en dos categorías, las cuales tienen numerosas subcategorías. La primera categoría, flexibilidad de la máquina, cubre la capacidad del sistema de cambiarse para producir nuevos tipos de productos y la capacidad de cambiar el orden de las operaciones ejecutadas en una pieza. La segunda categoría, llamada flexibilidad de enrutamiento, consiste en la capacidad de utilizar múltiples máquinas para realizar la misma operación en una pieza, así como la capacidad del sistema para absorber cambios a gran escala, como en volumen, capacidad o capacidad.
La mayoría de los sistemas FMS comprenden tres sistemas principales. Las máquinas de trabajo, que a menudo son máquinas CNC automatizadas, están conectadas mediante un sistema de manejo de materiales para optimizar el flujo de piezas y a una computadora de control central, que controla los movimientos de materiales y el flujo de la máquina. Las principales ventajas de un FMS es su alta flexibilidad en la gestión de recursos de fabricación, como el tiempo y el esfuerzo, para fabricar un nuevo producto. La mejor aplicación de un FMS se encuentra en la producción de pequeños conjuntos de productos a partir de una producción en masa.
La fabricación integrada por computadora (CIM) en ingeniería es un método de fabricación en el que todo el proceso de producción está controlado por computadora. CIM une los métodos de proceso tradicionalmente separados a través de una computadora. Esta integración permite que los procesos intercambien información e inicien acciones. A través de esta integración, la fabricación puede ser más rápida y menos propensa a errores, aunque la principal ventaja es la capacidad de crear procesos de fabricación automatizados. Normalmente, CIM se basa en procesos de control de circuito cerrado basados en entradas en tiempo real de sensores. También se le conoce como diseño y fabricación flexible.
La soldadura por fricción-agitación fue descubierta en 1991 por el Instituto de Soldadura (TWI). Esta innovadora técnica de soldadura en estado estable (sin fusión) une materiales que antes no eran soldables, incluidas varias aleaciones de aluminio . Puede desempeñar un papel importante en la futura construcción de aviones, reemplazando potencialmente a los remaches. Los usos actuales de esta tecnología hasta la fecha incluyen: soldar las uniones del tanque externo principal de aluminio del transbordador espacial, el artículo de prueba del vehículo de tripulación Orion, los vehículos de lanzamiento desechables Boeing Delta II y Delta IV y el cohete SpaceX Falcon 1; blindaje para buques de asalto anfibios; y soldar 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 son el Diseño de Producto , MEMS (Sistemas Micro-Electro-Mecánicos), Lean Manufacturing , Sistemas de Fabricación Inteligente, Green Manufacturing, Ingeniería de Precisión, Materiales Inteligentes, etc.
