COT-RIM: COTIZADOR AUTOMÁTICO DE PROCESOS DE

MANUFACTURA

KAREN TATIANA RIAÑO ARDILA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTE DE INGENIERÍA MECÁNICA

COT-RIM: COTIZADOR AUTOMÁTICO DE PROCESOS DE

MANUFACTURA

KAREN TATIANA RIAÑO ARDILA

Proyecto de grado, presentado a la Universidad de Los Andes

para optar al título de Ingeniera Mecánica

ASESOR

FABIO A. ROJAS M.

Ingeniero Mecánico Dr. Eng. Mec

Profesor – Investigador

Departamento de Ingeniería Mecánica

Facultad de Ingeniería

Universidad de Los Andes

Bogotá D.C. – Colombia

2016

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DEDICATORIA

Esta tesis en primera instancia la dedico al Espíritu Santo, quien siempre me ha guiado e iluminado, su presencia me ha demostrado cual valioso y recompensado es el esfuerzo, dedicación y sacrificio. Su incondicional ayuda me ha llevado a culminar una meta que representa el comienzo de mi desarrollo profesional. Igualmente a mi familia (padre, madre y hermana) quienes día a día, con su gran amor y esfuerzo, me acompañaron celebrando mis éxitos y fortaleciéndome en las adversidades. A Lucia, para que nunca olvide que de la mano de Dios y actuando correctamente los sueños se hacen realidad.

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AGRADECIMIENTOS

Agradezco a: Dios, por la gran bendición de culminar esta meta, sin su ayuda no hubiese sido posible. Gracias a él por permitirme ser parte de la gran familia UNIANDINA. A mis padres, por su esfuerzo, dedicación y comprensión A mi hermana por su orientación, motivación y por darme serenidad en los momentos de angustia. A C.E.P.S, quien me apoyó, su paciencia me calmaba, su gran compañía me fortaleció y su sonrisa me alegró A mi asesor, por su confianza, consejos y buena disposición. Al equipo de laboratorio de manufactura y a la Empresa Aleaciones Técnicas Ltda., por su gran colaboración y confianza, pues sin ellos los resultados de este proyecto no serían los mismos A mis compañeros a quienes con su amistad me alentaron y motivaron a continuar.

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RESUMEN

Con el presente trabajo se busca diseñar e implementar un autómata para la cotización flexible

de los siguientes procesos de manufactura: Doblado y Troquelado de lámina, Fundición, Corte

por plasma, Corte por láser, Corte por Chorro de agua, Mecanizado y Prototipado rápido; esto

con el fin de proveer a la industria local un herramienta tecnológica para la planeación y el

control de la manufactura.

El desarrollo del software se dividió en tres componentes. El primero hace referencia al

ambiente de programación, en el cual se reconoció y exploró el lenguaje de programación de

Visual Basic para Aplicaciones. El segundo se centra en el diseño de la metodología de

estimación de costos, lo cual involucra los modelos y funciones de costos; es importante

señalar que este componente se sustenta fuertemente en la comprensión de los procesos de

manufactura, de sus variables de control y de los equipos utilizados. Y finalmente, el tercer

componente se destina a la generación del software, a la creación de la interfaz y de los

algoritmos. La finalidad de este componente es traducir la metodología de estimación de

costos en un producto, el cotizador denominado como COT-RIM V1.0.

Como parte del trabajo con el software, se recolectó la información necesaria para generar las

bases de datos del módulo de mecanizado y del módulo de prototipado rápido; y se realizaron

pruebas de calibración con el módulo de mecanizado para piezas tipo eje, en el laboratorio de

manufactura de la Universidad de los Andes.

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TABLA DE ILUSTRACIONES

Ilustración 1 Esquema de la estructura del cotizador .................................................................................. 6 Ilustración 2 Esquema del Modelo de Referencia de Lutter. ....................................................................... 8 Ilustración 3 Esquema proceso de torneado ................................................................................................ 9 Ilustración 4 Cilindrado............................................................................................................................... 10 Ilustración 5 Refrentado ............................................................................................................................. 10 Ilustración 6 Roscado ................................................................................................................................. 10 Ilustración 7 Ranurado - Tronzado ............................................................................................................. 10 Ilustración 8 Parámetros de corte principales - Torneado ......................................................................... 11 Ilustración 9 Parámetros de corte secundarios – Torneado ...................................................................... 12 Ilustración 10 Esquema rugosidad media................................................................................................... 12 Ilustración 11 Esquema parámetros de la rugosidad superficial ................................................................ 13 Ilustración 12 Esquema Fresado Plano ....................................................................................................... 14 Ilustración 13 Operaciones Fresado Plano ................................................................................................. 14 Ilustración 14 Esquema Fresado frontal ..................................................................................................... 14 Ilustración 15 Tipos de Fresado Frontal ..................................................................................................... 14 Ilustración 16 Formas de Fresado .............................................................................................................. 15 Ilustración 17 Esquema Taladrado ............................................................................................................. 16 Ilustración 18 Tipos básicos de agujero ...................................................................................................... 16 Ilustración 19 Geometría de la broca ......................................................................................................... 17 Ilustración 20 Ángulos en los filos de la broca ........................................................................................... 17 Ilustración 21 Parámetros de corte - Taladrado ......................................................................................... 18 Ilustración 22 Clases de rugosidad ............................................................................................................. 19 Ilustración 23 Comparación procesos de manufactura .............................................................................. 20 Ilustración 24 Método Metcut Torneado ................................................................................................... 21 Ilustración 25 Modelo Metcut Fresado ...................................................................................................... 22 Ilustración 26 Método Metcut Taladrado .................................................................................................. 23 Ilustración 27 Tecnologías de fundición ..................................................................................................... 25 Ilustración 28 Diagrama de flujo - Fundición .............................................................................................. 26 Ilustración 29 Flujo de materiales - Fundición............................................................................................ 27 Ilustración 30 Proceso productivo Fundición - Aleaciones Técnicas Ltda. ................................................. 30 Ilustración 31 Funciones complementarias - Modelo de costos Fundición ............................................... 31 Ilustración 32 Etapas proceso de prototipado rápido ................................................................................ 32 Ilustración 33 Esquema Equipo de FDM ..................................................................................................... 33 Ilustración 34 Pieza FDM ............................................................................................................................ 33 Ilustración 35 Altura de capa - FDM ........................................................................................................... 34 Ilustración 36 Densidad de relleno - FDM .................................................................................................. 34 Ilustración 37 Patrón-FDM ......................................................................................................................... 34 Ilustración 38 Armazón - FDM .................................................................................................................... 34 Ilustración 39 Soporte - FDM ...................................................................................................................... 35 Ilustración 40 Comparación materiales - FDM ........................................................................................... 35 Ilustración 41 Esquema Equipo de SLA ....................................................................................................... 35 Ilustración 42 Funciones complementarias Prototipado Rápido ............................................................... 37 Ilustración 43 Operaciones de conformado de metales ............................................................................ 38 Ilustración 44 Esquema Proceso de Doblado ............................................................................................. 39 Ilustración 45 Doblado entre formas .......................................................................................................... 39 Ilustración 46 Doblado de bordes .............................................................................................................. 39 Ilustración 47 Doblez .................................................................................................................................. 39 Ilustración 48 Engargolado ......................................................................................................................... 39 Ilustración 49 Esquema Proceso de Troquelado - Punzonado ................................................................... 42 Ilustración 50 Esquema acción de cizalla - Troquelado .............................................................................. 43 Ilustración 51 Borde de corte - Troquelado ............................................................................................... 43 Ilustración 52 Esquema dispositivo para troquelado ................................................................................. 43

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Ilustración 53 Punzonado Vs. Perforado .................................................................................................... 44 Ilustración 54 Ángulo de escape - Troquelado ........................................................................................... 44 Ilustración 55 Ecuaciones complementarias - Tiempo de punzonado ....................................................... 45 Ilustración 56 Funciones complementarias Troquelado de lámina ............................................................ 45 Ilustración 57 Esquema sistema de corte por chorro de agua ................................................................... 47 Ilustración 58 Superficie - Corte por chorro de agua ................................................................................. 47 Ilustración 59 Esquema equipos de corte por laser ................................................................................... 48 Ilustración 60 Tolerancia de rugosidad -DIN EN ISO 9013 .......................................................................... 49 Ilustración 61 Rugosidad superficie de corte - DIN EN ISO 9013 ................................................................ 49 Ilustración 62 Calidad del corte - DIN EN ISO 9013 .................................................................................... 49 Ilustración 63 Componentes - Corte por plasma ........................................................................................ 50 Ilustración 64 Esquema corte por plasma .................................................................................................. 50 Ilustración 65 Ecuaciones generales Corte ................................................................................................. 53 Ilustración 66 Funciones complementarias Corte por Chorro de Agua ..................................................... 53 Ilustración 67 Funciones complementarias Corte por Láser ...................................................................... 54 Ilustración 68 Funciones complementarias Corte por Plasma ................................................................... 55 Ilustración 69 Categorías de corrosividad atmosférica y ejemplos de ambientes típicos .......................... 56 Ilustración 70 Categorías de corrosividad para el agua y el suelo .............................................................. 56 Ilustración 71 Grados de preparación de las superficies ............................................................................ 57 Ilustración 72 Ejemplo sistema de pintado ................................................................................................ 57 Ilustración 73 Modelo de costos Fundición con Coeficientes adimensionales .......................................... 65 Ilustración 74 Función de costo Troquelado de lámina con Coeficientes adimensionales ........................ 68 Ilustración 75 Función de costos Corte con Coeficientes adimensionales ................................................. 70 Ilustración 76 Interfaz de sintonización Módulo de fundición ................................................................... 79 Ilustración 77 Interfaz de sintonización Módulo de troquelado de lámina ............................................... 80 Ilustración 78 Acceso al software ............................................................................................................... 80 Ilustración 79 Interfaz principal COT-RIM V1.0 .......................................................................................... 81 Ilustración 80 Ventana principal módulo de fundición .............................................................................. 82 Ilustración 81 Ventana principal Módulo de Troquelado ........................................................................... 83 Ilustración 82 Operaciones módulo de Troquelado ................................................................................... 83 Ilustración 83 Ventana principal Módulo de Doblado de lámina ............................................................... 84 Ilustración 84 Ejemplo ventana de forma Modulo de doblado de lámina ................................................. 85 Ilustración 85 Ventana principal Módulo de Prototipado rápido............................................................... 85 Ilustración 86 Ventana Cotización de alta precisión módulo de prototipado rápido ................................ 86 Ilustración 87 Resumen de cotización Módulo de Prototipado rápido ...................................................... 86 Ilustración 88 Ventana principal Módulo de Corte .................................................................................... 87 Ilustración 89 Ventana selección de tecnología Módulo de corte ............................................................. 87 Ilustración 90 Agregar corte Módulo de Corte ........................................................................................... 87 Ilustración 91 Ventana principal Módulo de Mecanizado .......................................................................... 88 Ilustración 92 Tipos de rasgos Módulo de Mecanizado ............................................................................. 88

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Operaciones de torneado .............................................................................................................. 10 Tabla 2 Tipos de Fresado ............................................................................................................................ 14 Tabla 3 Tecnologías de fundición ............................................................................................................... 25 Tabla 4 Arenas típicas - Fundición .............................................................................................................. 28 Tabla 5 Tipos de hornos - Fundición ........................................................................................................... 28 Tabla 6 Parámetros de control - FDM ........................................................................................................ 34 Tabla 7 Operaciones de doblado ................................................................................................................ 39 Tabla 8 Características de los equipos para corte por chorro de agua ...................................................... 47 Tabla 9 Nivel de exigencia Operaciones de Mecanizado ............................................................................ 59 Tabla 10 Clases de acabado - Módulo de Mecanizado ............................................................................... 60 Tabla 11 Nivel de precisión - Módulo de Mecanizado ............................................................................... 60

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LISTA DE GRÁFICAS

Gráfica 1 Variación total del tiempo estimado – Prueba con Módulo de Mecanizado .............................. 63 Gráfica 2 Evolución de la estimación del tiempo – Prueba con Módulo de Mecanizado .......................... 63

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LISTA DE ECUACIONES

Ecuación 1 Velocidad de corte - Torneado ................................................................................................ 10 Ecuación 2 Avance – Torneado................................................................................................................... 11 Ecuación 3 Espesor de corte – Torneado ................................................................................................... 11 Ecuación 4 Ancho de viruta – Torneado ..................................................................................................... 11 Ecuación 5 Sección de viruta – Torneado ................................................................................................... 11 Ecuación 6 Tasa de remoción – Torneado .................................................................................................. 12 Ecuación 7 Rugosidad media ...................................................................................................................... 13 Ecuación 8 ............................................................................................................................................ 13 Ecuación 9 Potencia neta – Torneado ........................................................................................................ 13 Ecuación 10 Velocidad de Rotación - Fresado ............................................................................................ 15 Ecuación 11 Avance por diente - Fresado .................................................................................................. 15 Ecuación 12 Tasa de remoción – Fresado .................................................................................................. 16 Ecuación 13 Potencia neta - Fresado.......................................................................................................... 16 Ecuación 14 Velocidad de Rotación - Taladrado ........................................................................................ 17 Ecuación 15 Avance por diente - Taladrado ............................................................................................... 18 Ecuación 16 Ancho de viruta - Taladrado ................................................................................................... 18 Ecuación 17 Espesor de corte - Taladrado.................................................................................................. 18 Ecuación 18 Sección de viruta – Taladrado ................................................................................................ 18 Ecuación 19 Tasa de remoción – Taladrado ............................................................................................... 18 Ecuación 20 Potencia de corte - Taladrado ................................................................................................ 19 Ecuación 21 Tolerancia de concentricidad – Taladrado ............................................................................. 19 Ecuación 22 Modelo Metcut - General ....................................................................................................... 20 Ecuación 23 Función de costo Torneado .................................................................................................... 22 Ecuación 24 Función de costo Fresado....................................................................................................... 23 Ecuación 25 Función de costo Taladrado ................................................................................................... 24 Ecuación 26 Función de costos Fundición .................................................................................................. 31 Ecuación 27 Función de costo Prototipado rápido ..................................................................................... 37 Ecuación 28 Fuerza de doblado .................................................................................................................. 40 Ecuación 29 Tolerancia de doblado ............................................................................................................ 40 Ecuación 30 Función a. Estimación de tiempo de doblado ........................................................................ 41 Ecuación 31 Función b. Estimación de tiempo de doblado ........................................................................ 41 Ecuación 32 Función de costo Doblado de lámina ..................................................................................... 41 Ecuación 33 Fuerza de corte - Troquelado ................................................................................................. 44 Ecuación 34 Función de Estimación del Tiempo de Punzonado................................................................. 45 Ecuación 35 Función de costos Troquelado de lámina............................................................................... 45 Ecuación 36 Función de costos Corte por Chorro de Agua ........................................................................ 53 Ecuación 37Función de costos Corte por Láser .......................................................................................... 54 Ecuación 38 Función de costos Corte por Plasma ...................................................................................... 54 Ecuación 39 Función de costo Torneado con Coeficiente adimensionales ................................................ 61 Ecuación 40 Función de costo Fresado con Coeficiente adimensionales ................................................... 61 Ecuación 41 Función de costo Taladrado con Coeficiente adimensionales ............................................... 61 Ecuación 42 Función de costos Doblado de Lámina con Coeficientes adimensionales ............................. 67

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TABLA DE CONTENIDO

1. CAPÍTULO I 1

1.1 INTRODUCCIÓN 1 1.2 ANTECEDENTES 2 1.3 OBJETIVOS 4 1.3.1 OBJETIVO GENERAL 4 1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 4

2 CAPÍTULO II – ARQUITECTURA DEL SOFTWARE 5

2.1 VISUAL BASIC PARA APLICACIONES (VBA) 5 2.2 ESTRUCTURA 6 2.2.1 METODOLOGÍA DE ESTIMACIÓN DE COSTOS 7 2.3 MÓDULO DE MECANIZADO 9 2.3.1 TORNEADO 9 2.3.2 FRESADO 13 2.3.3 TALADRADO 16 2.3.4 MODELO DE COTIZACIÓN 20 2.4 MÓDULO DE FUNDICIÓN 24 2.4.1 MODELO DE COTIZACIÓN 29 2.5 MÓDULO DE PROTOTIPADO RÁPIDO 32 2.5.1 DEPOSICIÓN DE PLÁSTICO FUNDIDO (FDM) 32 2.5.2 ESTEREOLITOGRAFÍA (SLA) 35 2.5.3 MODELO DE COTIZACIÓN 36 2.6 MÓDULO DE DOBLADO DE LÁMINA 37 2.6.1 MODELO DE COTIZACIÓN 40 2.7 MÓDULO DE TROQUELADO DE LÁMINA 42 2.7.1 MODELO DE COTIZACIÓN 45 2.8 MÓDULO DE CORTE 46 2.8.1 CORTE POR CHORRO DE AGUA 46 2.8.2 CORTE POR LÁSER 48 2.8.3 CORTE POR PLASMA 50 2.8.4 MODELO DE COTIZACIÓN 51 2.9 MÓDULO DE PINTURA 55 2.10 SEGURIDAD 58

3 CAPÍTULO III –SINTONIZACIÓN DEL SOFTWARE 59

3.1 MÓDULO DE MECANIZADO 59 3.1.1 AJUSTE DEL MODELO DE COTIZACIÓN 59 3.1.2 BASES DE DATOS 62 3.1.3 RESULTADOS 62 3.2 MÓDULO DE FUNDICIÓN 64 3.2.1 AJUSTE DEL MODELO DE COTIZACIÓN 64 3.2.2 BASES DE DATOS 65 3.3 MÓDULO DE PROTOTIPADO RÁPIDO 66 3.3.1 AJUSTE DEL MODELO DE COTIZACIÓN 66 3.3.2 BASES DE DATOS 66

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3.4 MÓDULO DE DOBLADO DE LÁMINA 67 3.4.1 AJUSTE DEL MODELO DE COTIZACIÓN 67 3.4.2 BASES DE DATOS 67 3.5 MÓDULO DE TROQUELADO DE LÁMINA 68 3.5.1 AJUSTE DEL MODELO DE COTIZACIÓN 68 3.5.2 BASES DE DATOS 69 3.6 MÓDULO DE CORTE 69 3.6.1 AJUSTE DEL MODELO DE COTIZACIÓN 69 3.6.2 BASES DE DATOS 70

4 CAPÍTULO IV – ANÁLISIS DE LOS COEFICIENTES ADIMENSIONALES 71

4.1 MÓDULO DE MECANIZADO 71 4.2 MÓDULO DE FUNDICIÓN 73 4.3 MÓDULO DE PROTOTIPADO RÁPIDO 74 4.4 MÓDULO DE DOBLADO 75 4.5 MÓDULO DE TROQUELADO DE LÁMINA 76 4.6 MÓDULO DE CORTE 77

5 CAPÍTULO V – MANEJO DEL SOFTWARE 78

5.1 MANUAL DE USO PARA EL ADMINISTRADOR 78 5.1.1 MANEJO DE LAS BASES DE DATOS 78 5.1.2 SINTONIZACIÓN 78 5.2 MANUAL DE USO PARA EL USUARIO 80

6 CAPÍTULO V – CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 89

6.1 CONCLUSIONES 89 6.2 TRABAJOS FUTUROS 89

7 BIBLIOGRAFÍA 90

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1. Capítulo I

1.1 Introducción

En la industria hablar de sostenibilidad y rentabilidad es inevitable; es por esto que continuamente se busca generar técnicas, estrategias y tecnología para aprovechar de la mejor forma los recursos disponibles. Ahora bien, en el contexto de la industria Colombia se encuentran grandes falencias, no obstante esto no se considera como algo desfavorable, por lo contrario, en estas falencias se encuentran grandes oportunidades para impulsar la economía.

Una de las necesidades latentes en las medianas y pequeñas empresas de producción es conocer y entender los parámetros que afectan el proceso; identificar las condiciones óptimas es un desafío actual. Adicional a esto, involucrar variables econométricas al análisis de los procesos de manufactura es otro reto. Y teniendo en cuenta que la industria local es tradicional y poco dada a acoger herramientas tecnológicas, dar solución a esta falencia es un proceso que debe fomentarse entre los profesionales.

Alrededor del mundo, desde hace más de 4 décadas se ha avanzado en el área del CIM (Computer Integrated Manufacturing), generando grandes beneficios para industria; en esta área no solo se involucra el proceso de diseño, sino que también se incursiona en los procesos de manufactura y la logística como tal. Como parte de esto, se encuentra el desarrollo de software para administrar herramientas y para cotizar procesos de manufactura; así pues, es en este último en el cual se enfoca el actual proyecto, pues se considera que brinda a la industria Colombiana una solución eficaz para controlar un proceso de manufactura. Un cotizador permite sustituir la dependencia de la industria en la experiencia de los operarios, permite generar productos sistemáticamente, permite disminuir la incertidumbre respecto al costo y disminuye el tiempo de respuesta.

Si bien, en el LATEMM (Laboratorio de técnicas modernas de manufactura), grupo liderado por el por el profesor Fabio A. Rojas de la Universidad de los Andes, ya se han desarrollado metodologías para la cotización automática del costo de procesos bajo condiciones particulares, se sabe que la metodología debe ser ampliada, pues en este momento solo está enfocada en procesos de mecanizado; esto limita la funcionalidad del cotizador en la industria local, caracterizada por ser flexible. Se espera extender la metodología a industrias de trabajo de lámina, fundición y corte. El proyecto se estructura por tres módulos; el primero se enfoca en la creación de una heurística sencilla para ingresar los parámetros del proceso y la pieza al cotizador; el segundo está dirigido a la creación de un modelo matemático para realizar los cálculos de la cotización; y finalmente, el tercero cubre el proceso experimental para sintonizar el cotizador en una empresa particular.

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1.2 Antecedentes

Con el firme interés de aportar al desarrollo de la industria colombiana en la Universidad de los Andes se han realizado un gran número de proyectos de investigación e incursión en la industria; específicamente, el grupo de materiales y manufactura CIPP-CIPEM tiene entre sus líneas de investigación las técnica modernas de manufactura. Ahora bien, en esta área se han logrado avances en temas como la administración de herramientas, la caracterización de procesos de manufactura, a través de técnicas alométricas, y en la producción de software para cotización de procesos.

En relación a la administración de herramientas dos de los proyectos que se han realizado tiene como objetivo en común implementar la filosofía de la administración de herramientas en la industria local, como mecanismo de reducción de costos. En [1] se puso a prueba el software ADMEC; dicho software fue creado como el fin de acompañar a la mediana y pequeña empresa local y es el resultado, precisamente, del acercamiento entre la academia y la industria. El software ADMEC toma como base técnicas con números adimensionales en los procesos de mecanizado; esta forma metódica permite controlar y registrar variables del proceso. Otro software con el cual se ha incursionado en la industria es GEFER [2], proyecto que se fundamenta en el ordenamiento lógico de las herramientas y materiales, por medio de una clasificación detallada y sistemática. Cabe resaltar que una de las dificultades detectadas en la implementación del software es la negación por parte de la industria tradicional para aceptar estas herramientas tecnológicas.

Como variante a lo anterior, se ha desarrollado un software on-line para realizar ensayos de mecanizado [3], este permite que el usuario no solo decida cual herramienta tiene un mejor desempeño, sino que también le ayuda a seleccionar los parámetros adecuados para cuidar la herramienta y a la vez tener altas tasas de remoción. Además de lo anterior, el software también permite generar una base de datos con la historia de las herramientas y encuentra óptimos locales, de acuerdo a la tecnología disponible. Este software se considera innovador por ser de aplicación inmediata en el piso de fábrica.

De igual forma, en la producción de software para cotización de procesos de manufactura también se han logrado importantes avances, el primero de ellos es el software SCOPMEC 1.0 [4], el cual tenía por función determinar un costo aproximado de una pieza con base en diferentes parámetros geométricos y del proceso de manufactura, tales variables eran establecidas por el usuario. Este software fue implementado a través de una página web, utilizando el lenguaje PHP (lenguaje multiplataforma). Este cotizador buscaba eliminar la apreciación personal del proceso de cotización. Ahora bien, otro aspecto de gran innovación en este proyecto fue que el modelo utilizado (MetCut) fue modificado, se adicionaron variables para así poder sintonizar el cotizador al usuario, pues la idea no es modificar la forma en la que produce la empresa, sino agilizar el proceso de cotización y garantizar un precio adecuado para lo producción. Lo que se concluyó fue que el modelo MetCut sí es adecuado para determinar los costos de mecanizado y que por su amplio campo de aplicación puede adaptarse a diferentes requerimientos; además se identificó que existe una tendencia en los valores de las constante que permiten calibrar el cotizador, lo cual se considera como indicativo de que es posible extraer la esencia de una empresa a través de un registro de sus procesos exitosos y no exitosos.

El segundo de ellos dio como resultado el software SCOPMEC 2.0 [5], este avance es la continuación del proyecto descrito anteriormente; aunque la versión 2.0 siguió los principios básicos de la

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primera versión, esta se enfocó en aumentar el espectro del área de estudio de los procesos de mecanizado (moldes, mecanizado de repuestos industriales, piezas en serie), adicionalmente, la interfaz se modificó significativamente, para lograr que el usuario entregara la información sobre el proceso de la mejor forma. En consecuencia, la versión 2.0 facilita el aseguramiento de la calidad. El resultado cuantitativo más relevante de este proyecto es que se logró, en promedio, un 70% de cotizaciones exitosas, con una reducción de hasta el 80% del tiempo. Como aporte adicional de los proyectos relacionados con el cotizador se tiene que incursionaron, por primera vez, en la experimentación y en comprobación de los modelos teóricos existentes.

Otros proyectos en los que la academia busca impactar la industria son los trabajos de Berlund [6], de Chougule y Ravi [7]. El primero se desarrolla en la Universidad Tecnológica de Luleä, en este se analizan los procesos de manufactura de oxicorte, corte por plasma, corte por láser y corte por chorro de agua. Se buscaba apoyar a los clientes y facilitar la toma de decisiones de los ingenieros de la compañía SSAB, en la medida en la que no solo se calculan los costos de producción, sino que también se analizan los parámetros del proceso para reducir las fallas en las piezas. Y en el segundo, el Instituto Indio de Tecnología de Bombay promueve la investigación en el proceso de fundición, el trabajo realizado propone un modelo matemático para estimar el costo y una metodología para actualizar y compartir información referente al proceso; se toman en cuenta características como la geometría, el acabado superficial, la cantidad de producción. Y el costo calculado se atribuye al material, la mano de obra y a la energía invertida. Asimismo, en el mercado industrial ya se encuentran soluciones para la cotización y el manejo de los procesos de manufactura. Entre ellas el software TEMPO de Cutting Tools S.L. [8], el cual permite calcular el tiempo y el costo de procesos de mecanizado de forma flexible, puesto que dispone de herramientas para generar la secuencia de operaciones, elegir la máquina, la herramienta, los parámetros de corte y los costos que se desean incluir (materia prima, preparación de las máquinas, de fabricación e incluso de subcontrataciones). Adicionalmente, una vez que se fabrica la pieza, se pueden introducir en el software los valores reales de los tiempos de preparación y de fabricación para así evaluar y mejorar la efectividad de la estimación. Si bien, el software TEMPO se plantea como una herramienta para las empresas, también existen soluciones para los clientes; de tal forma que sin un conocimiento técnico del proceso de manufactura, el usuario puede obtener una estimación del costo de la pieza que desea fabricar. En este estilo, se encuentran los cotizadores en línea de la división A-Laser de FCT Assembly [9], en el área de corte de lámina, y de Planfab [10], en el área de prototipado rápido.

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1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo General

Diseñar y montar en hojas de cálculo tipo EXCEL, un autómata para la cotización flexible de los siguientes procesos de manufactura, siguiendo como modelo uno ya realizado en el LATEMM para procesos de mecanizado:

Doblado y troquelado de lámina; Procesos de cortado por láser, plasma y agua; Procesos de fundición; Procesos de pintura sobre estructuras simples y lámina; Procesos de prototipado rápido.

1.3.2 Objetivos Específicos

1. Implementación del prototipo previo de mecanizado en una hoja EXCEL. Se producirá una hoja electrónica que reproduzca las funciones del software SCOPMEC 2.0 realizado previamente para mecanizado. Esto con la finalidad de familiarizarse con los módulos del sistema, e iniciar el libro EXCEL del proyecto.

2. Implementación del prototipo de los nuevos procesos de manufactura. Se agregarán los nuevos módulos al libro EXCEL abierto en el objetivo puntual 1.

3. Calibración del libro autómata del proyecto. Se entregará un reporte con los resultados de calibrar los módulos en el ambiente industrial, previamente convenido con la participación de varias empresas que hacen parte de la red RIM. Los análisis incluyen tratamiento estadístico de los datos para reportar formalmente una cota de confiabilidad del instrumento.

4. Socialización del COT-RIM en un escenario de discusión ó publicación científica. Se presentará el diseño propuesto ante pares para posible divulgación en un escenario científico.

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2 Capítulo II – Arquitectura del software

En esta sección se dará a conocer el argumento del software, empezando por la descripción del entorno de programación, pasando por la estructura general del cotizador, esto, en cuanto a su organización, sus componentes y al modelo de costos genérico; para finalmente abordar cada uno de los procesos de manufactura de interés, haciendo énfasis en el modelo de costos.

2.1 Visual Basic para Aplicaciones (VBA)

Visual Basic para Aplicaciones (VBA) es un lenguaje de programación que permite ampliar las funciones de la suite de Microsoft Office; como tal VBA es un subconjunto de Visual Basic (VB), el cual es un lenguaje desarrollado por Microsoft que se basa en la programación dirigida por eventos, es decir que el programa se ejecuta conforme a los sucesos que define el usuario [11]. Ahora bien, con VBA no solo se pueden generar funciones, sino también aplicaciones ejecutables desde algún programa de Microsoft. Cabe mencionar que esta es la principal diferencia entre VBA y VB, puesto que con VB sí es posible crear programas ejecutables independientes, de tal forma que se pueden instalar y accionar desde el menú de inicio. Al trabajar con VBA se deben crear procedimientos descritos paso a paso para lograr un resultado específico, tales procedimientos se denominan como macros, y son estas las que articulan las aplicaciones o funciones que desea generar el programador. Con esto en mente, es posible especificar los componentes principales bajo los cuales se articula VBA: Objetos, Propiedades, Métodos, Eventos y Colecciones. Los objetos son, por decirlo así, entidades que se relacionan entre sí bajo una jerarquía. Todo objeto debe tener Propiedades, es decir, a todo objeto se le asocian características específicas que como tal terminan por definir lo que es cada objeto en particular. Ahora, para interactuar con los objetos se tienen los Métodos y los Eventos. Los Métodos son algoritmos específicos que permiten manipular propiedades, conectar macros, etc.; y los Eventos son los sucesos que realiza el usuario y por ende son a estos Eventos a los que se asocian los Métodos. Y finalmente, se tienen las Colecciones, las cuales son agrupaciones ordenadas de objetos que permiten la fácil manipulación de información. Teniendo en cuenta lo anterior, es preciso especificar las razones por las cuales se decide utilizar VBA desde Microsoft Excel para el desarrollo del Cotizador:

El lenguaje de programación es simple y de fácil aprendizaje.

Existe gran accesibilidad a la suite de Microsoft Office.

El uso de VBA desde Microsoft Excel permite almacenar y analizar datos con gran facilidad, no solo por la visualización de estos, sino también por el acceso a múltiples librerías.

La creación de interfaces es sencilla y práctica.

Es posible proteger la información de forma confiable.

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2.2 Estructura

Para empezar a describir la estructura que se ha establecido para el cotizador es fundamental especificar los requerimientos funcionales de este, puesto que es la estructura del software la que da lugar al cumplimiento de estos.

Ahora bien, para establecer los requerimientos funcionales, lo primero es enunciar el problema que busca solucionar el cotizador: eliminar la dependencia de la experiencia y agilizar el tiempo de respuesta para la cotización de procesos de doblado de lámina,

troquelado de lámina, corte por láser, corte por plasma, corte por chorro de agua, fundición, pintura sobre estructuras simples y lámina, prototipado rápido y mecanizado. Lo segundo es recordar que con los trabajos realizados en el LATEM con el software SCOPMEC [4] se evidenciaron dos aspectos:

Es de alta importancia generar un lenguaje sencillo para que el usuario interactúe con el software.

Es necesario adecuar el modelo de costos, a través de coeficientes adimensionales que capturan la forma de operar de la empresa en la cual se implementa el cotizador.

Así pues, se establecieron los siguientes requerimientos funcionales para el cotizador:

1. El cotizador debe estimar el costo, de forma autómata y flexible, a partir de la información que el usuario le suministre, para procesos de doblado de lámina, troquelado de lámina, corte por láser, corte por plasma, corte por chorro de agua, fundición, pintura sobre estructuras simples y lámina, prototipado rápido y mecanizado.

2. El cotizador debe ser capaz de almacenar información confidencial, relacionada con el proceso productivo de una empresa, de forma sencilla.

3. El cotizador debe poder ser utilizado por usuarios con bajo conocimiento técnico de los procesos de manufactura en cuestión.

4. El cotizador debe poder adecuarse a la empresa en la cual se implemente. Con base en lo anterior, se plantea una estructura modular para el cotizar, articulada por tres bloques transversales. Para mayor claridad esta se muestra esquemáticamente en la ilustración 1.

Ilustración 1 Esquema de la estructura del cotizador

7

Se entiende que el cotizador tendrá tantos módulos como procesos de manufactura de interés, esto por la necesidad de abordar los procesos de forma independiente, al tener fundamentos técnicos diferentes. Ahora, los tres bloques transversales permiten unificar el cotizador, por lo que cada uno de estos deberá estar presente en los módulos. Los bloques son: Modelo de costos, Interfaz y Bases de datos. Los modelos de costos, si bien responderán a cada proceso de manufactura, estarán guiados por una misma metodología de estimación de costos, la cual se dará a conocer más adelante. En cuanto a la interfaz se debe resaltar que se mantendrá un único formato y que todos los elementos que la conforman serán pensados para velar por la claridad. Finalmente, las bases de datos son el bloque que permite al cotizador ser un autómata, pues con estas tendrá la información necesaria para tomar decisiones relacionadas con el proceso de manufactura; adicionalmente, las bases de datos permitirán que el cotizador se adecue a la forma de operar de las empresas.

2.2.1 Metodología de estimación de costos

Antes de dar a conocer la metodología de estimación de costos planteada para el cotizador, se empezará por definir lo que es la estimación de costos, los modelos de costos, las funciones de costos y el Modelo de Referencia de Lutters [12]; esto con el fin de facilitar la comprensión de la metodología. Así pues, es importante señalar que la estimación de costos es el procedimiento a través del cual se aproxima el costo de manufacturar un producto. Para realizar la estimación de costos se tienen dos enfoques básicos, el Generativo y el Variante. Desde el generativo el costo del producto se plantea como una composición de los costos asociados a diferentes actividades; per se, en este enfoque es indispensable conocer en detalle el ciclo productivo. Y desde el enfoque variante se estima el costo por medio del conocimiento del costo de productos similares que han sido manufacturados con anterioridad, lo cual implica que se debe contar con bases de datos amplias. Cabe señalar que si bien estos enfoques tienen fundamentos completamente distintos, es posible usarlos conjuntamente, a lo cual se le denomina una estimación de costo híbrida. Lo único que se debe garantizar con la estimación de costos híbrida es que todos los costos generales se tengan en cuenta una única vez [12]. Como parte de la estimación de costos se tienen los modelos de costos, los cuales permite transformar la información del proceso de manufactura y/o del producto, en un costo. Por lo tanto, un modelo de costos está conformado por suposiciones, ecuaciones, reglas de interpretación de información y por parámetros para el manejo de la misma. Asimismo, un modelo de costo debe especificar su alcance, la forma de clasificar los costos (directos e indirectos, variables y fijos, etc.) y las funciones de costos. Esto último hace referencia a las relaciones entre los costos y las características del proceso de manufactura. Vale la pena indicar que las funciones de costos pueden ser de carácter teórico o derivado (experimental). Aquellas que son teóricas tienden a mantener una gran dependencia del contexto, por lo que para ser aplicadas, generalmente, deben ser adaptadas. Y las funciones de costos derivadas son planteadas a través de la experiencia, el sentido común y el análisis de información de los costos y los parámetros de manufactura.

8

Por otro lado, el Modelo de Referencia de Lutters [12] es un planteamiento en el ámbito de la Ingeniería Concurrente1, en el que se da igual importancia al producto, a los recursos y a la necesidad del cliente (pedido/orden) en el ciclo de manufactura. Este modelo se basa en la accesibilidad de la información y está pensado para facilitar la implementación de un sistema de estimación de costos integrado, puesto que incorpora la gestión de la información. El modelo está conformado por 6 ejes: Ingeniería del producto, Ingeniería de recursos, Ingeniería de producción, Dirección de la empresa, Producción y Gestión de la información; tal y como se muestra en la ilustración 2.

[12] Ilustración 2 Esquema del Modelo de Referencia de Lutter.

A continuación se da una breve explicación de cada uno de los ejes:

La Ingeniería de producto está asociada a toda la concepción técnica del producto, desde su diseño hasta su disposición final.

La Ingeniería de recursos se encarga de todo lo relacionado con los recursos, desde adquisición hasta mantenimiento.

La ingeniería de producción gira en torno a los requerimientos del cliente y a la programación de las órdenes de trabajo, incluyendo la asignación de recursos.

La dirección de la empresa se hace cargo de las decisiones administrativas y del manejo de la compañía.

La producción hace referencia a la ejecución real de los planes generados por las tareas de ingeniería; cabe resaltar que la producción realimenta las tareas de ingeniería.

Gestión de la información es el núcleo del modelo de referencia, puesto que conecta todos los componentes.

Desde la gestión de información, se plantean tres estructuras para el manejo de la información, estas son: la estructura de información de producto (PRIS), la estructura de información de recursos (RIS) y la estructura de información de la orden (OIS) [12]. Como sus nombres lo indican, cada una de estas almacena y organiza la información referente a productos, recursos y órdenes de trabajo (pedidos), respectivamente. Es importante aclarar que pese a que las estructuras se relacionan entre sí, estas pueden evolucionar de forma independiente.

Ahora se resalta que con los recursos disponibles para la realización de este proyecto, la alternativa de adoptar una metodología de estimación de costos variante resulta inviable; de igual forma, se descarta la posibilidad de utilizar funciones de costos derivadas. En contraste, se encuentra beneficiosa la filosofía de la Ingeniería Concurrente y en especial la forma en la

1 La Ingeniería Concurrente se constituye como una filosofía, en la cual se genera un diseño integrado, en el que se

involucra el producto y su fabricación. Pretende tomar en cuenta todos los elementos del ciclo de vida desde el inicio [13]

9

cual se maneja la información bajo el modelo de referencia de Lutters, ya que facilita la implementación de la estimación de costos generativa, al incluir la información técnica del producto, los recursos disponibles y los requerimientos del cliente. Tras lo anterior, es posible especificar que la metodología de estimación de costos bajo la cual se rige el cotizador es de carácter generativo. La metodología está conformada por 7 modelos de costos, en donde cada uno da respuesta a un proceso de manufactura en particular. En general, los modelos de costos no toman en cuenta los costos fijos asociados a la depreciación de los equipos, el arrendamiento y el pago de impuestos; y se fundamentan en funciones de costos de corte teórica, con modificaciones menores y con la inclusión de coeficientes adimensionales. Estos coeficientes cumplen dos funciones:

Adecuar la función de costos a la forma típica de operación de una empresa en particular.

Retroalimentar la función de costos, de tal forma que el modelo se hace cada vez más estable y preciso; lo anterior, a razón de que se lleva a cabo un control sobre la estimación de costos.

Asimismo, la metodología de estimación de costos adopta la estructura del manejo de la información propuesta en el modelo de referencia de Lutters.

2.3 Módulo de Mecanizado En esta sección se dará a conocer el módulo de mecanizado, este cubre los procesos de mayor relevancia en el área de conformado de piezas por arranque de viruta: Torneado, Fresado y Taladrado. Para empezar, se presenta una breve explicación de cada una de las operaciones, con sus respectivas variables de control; para luego especificar el modelo de cotización utilizado.

2.3.1 Torneado Se denomina como torneado al proceso bajo el cual se generan superficies de revolución por arranque de viruta; entendiéndose como superficies de revolución aquellas que tienen una sección transversal circular. En este proceso el movimiento principal corresponde a la rotación de la pieza respecto a un centro y el movimiento de avance es completamente lineal; tal y como se observa en la ilustración 3. Se aclara que todo proceso de arranque de viruta cuenta con dos movimientos, el principal y el de avance; el movimiento principal es aquel por medio del cual se desprende (elimina) el material, mientras que el movimiento de avance es aquel que describe la trayectoria de la herramienta.

[14]

Ilustración 3 Esquema proceso de torneado

10

Ahora bien, la combinación de estos movimientos y el uso de herramientas específicas da lugar a lo que se denominan como operaciones de torneado; las más conocidas se presentan en la siguiente tabla.

Tabla 1 Operaciones de torneado

Operación Descripción Esquema

Cilindrado

La herramienta se desplaza longitudinalmente (paralela al eje de revolución), produciendo un corte recto sobre la pieza de trabajo; esto podría ser en el exterior de la pieza o en el interior de un agujero.

[15] Ilustración 4 Cilindrado

Refrentado La herramienta se desplaza de forma radial para remover material de la cara frontal de la pieza.

[15] Ilustración 5 Refrentado

Roscado La herramienta se desplaza longitudinalmente (paralela al eje de revolución) de tal forma que se conforma una rosca. [15]

Ilustración 6 Roscado

Ranurado o Tronzado

La herramienta se mueve radialmente con el fin de generar una ranura (Ranurado) o con el fin de dividir (cortar) la pieza de trabajo (Tronzado). [15]

Ilustración 7 Ranurado - Tronzado

Por otra parte, es de alta importancia dar a conocer que las variables de control del proceso son los parámetros de corte y las condiciones bajo las cuales se efectúa el proceso, dado que estas influyen directamente sobre el tiempo de mecanizado (productividad) y sobre la calidad de la pieza (acabado superficial). Los parámetros de corte principales, son:

Velocidad de corte [m/min], : corresponde a la velocidad tangencial de la pieza de trabajo en el punto de contacto con la herramienta. Esta se calcula a través de la ecuación 1.

Ecuación 1 Velocidad de corte - Torneado

Donde, es el diámetro medio en , la velocidad de rotación en , la velocidad angular en y el radio medio en .

Velocidad de avance [mm/min], : corresponde a la velocidad con la cual se desplaza

la herramienta.

Profundidad de pasada [mm], : corresponde a la distancia en dirección radial en la cual la herramienta tiene contacto con la pieza de trabajo.

Estos parámetros de corte se muestran, esquemáticamente, en la siguiente ilustración.

11

[16] Ilustración 8 Parámetros de corte principales - Torneado

Y los parámetros de corte derivados son:

Avance [mm/rev], : corresponde a la distancia que recorre la herramienta en una revolución de la pieza. Esta puede calcularse como:

[16]

Ecuación 2 Avance – Torneado

Donde, es la velocidad de avance en y la velocidad de rotación

en .

Velocidad de rotación [rpm], : corresponde a la velocidad angular de la pieza de trabajo.

Espesor de corte [mm], : tal y como su nombre lo indica, es el espesor de corte de la viruta. Para mayor claridad, observe la ilustración 9. Asimismo, se calcula como:

[16] Ecuación 3 Espesor de corte – Torneado

Donde, es el avance en y es el ángulo de la cara de la herramienta en .

Ancho de viruta [mm], : corresponde al ancho de la viruta; también se muestra en la ilustración 9 y puede calcularse como:

[16]

Ecuación 4 Ancho de viruta – Torneado

Donde, es la profundidad de pasada en y es el ángulo de la cara de la

herramienta en .

Sección de viruta [ ], : corresponde al área de la sección transversal de la viruta; idealmente, la sección transversal es la de un rectángulo, por lo que:

[16] Ecuación 5 Sección de viruta – Torneado

Donde es el espesor de corte en y es el ancho de viruta en .

12

[16] Ilustración 9 Parámetros de corte secundarios – Torneado

Adicionalmente, se aclara que las condiciones de mecanizado hacen referencia a todos los factores o aspectos que conforman el ambiente bajo el cual se lleva a cabo la operación; por ejemplo, el uso o no de refrigerante, la experiencia del operario, el tipo de máquina en la que se ejecuta la operación, la sujeción de la pieza, los instrumentos de medición disponibles, la herramienta utilizada, etc. Como se señaló con anterioridad, de los parámetros de corte depende la productividad y el acabado superficial. El primer aspecto se puede evaluar a través de la tasa de remoción de material, puesto que permite cuantificar la cantidad de volumen que se remueve por unidad de tiempo con unos parámetros de corte. Así pues, este concepto permite identificar la mejor herramienta, ya que los parámetros de corte dependen directamente de la herramienta y del material de trabajo. Este concepto se expresa matemáticamente como se indica en la ecuación 6.

Ecuación 6 Tasa de remoción – Torneado

Donde es la tasa de remoción en , es la velocidad de corte en ,

es la profundidad de pasada en y es el avance en .

Y el segundo aspecto, el acabado superficial, como tal es un requerimiento funcional de la pieza que se especifica través de la rugosidad superficial (dada por el conjunto de irregularidades de la superficie). Esta puede cuantificarse según la norma DIN EN ISO 4287 a través de los siguientes conceptos:

Rugosidad superficial media, : es la media aritmética de las desviaciones de la curva del perfil de la superficie, con respecto a la línea media, en una longitud dada; no se diferencia entre picos y valles; tal y como se muestra en la ilustración 10 y en la ecuación 7.

[17] Ilustración 10 Esquema rugosidad media

13

∫ | |

Ecuación 7 Rugosidad media

Donde es la longitud de referencia en y es el perfil de la superficie en función de la longitud en .

Amplitud, : corresponde a la media aritmética de 5 medidas de la altura máxima en una muestra de la longitud; en la ilustración 11 se muestran las 5 mediciones y el valor de .

[17] Ilustración 11 Esquema parámetros de la rugosidad superficial

Amplitud total del perfil, : corresponde a la distancia entre el más alto pico y el más profundo valle del perfil en una longitud dada, tal y como se muestra en la ilustración 11. Este parámetro, teóricamente, es producto de las condiciones del contacto entre la herramienta y el material de trabajo, por lo que se puede calcular con base en las características de la herramienta y de los parámetros de corte, tal y como se expresa en la ecuación 8.

√

Ecuación 8

Donde es el radio de la punta de la herramienta en y es el avance en .

Otro concepto de gran interés para el análisis de este proceso es la potencia neta, puesto que permite conocer uno de los requerimientos que el equipo debe satisfacer. Esta se considera como un indicativo del trabajo necesario para remover una cantidad de volumen en un tiempo dado y puede ser calculada como:

[16]

Ecuación 9 Potencia neta – Torneado

Donde es la potencia neta en , es la velocidad de corte en , es la

profundidad de pasada en , es el avance en Y es fuerza específica de corte en .

2.3.2 Fresado

Se denomina como fresado al proceso bajo el cual se generan superficies planas por arranque de viruta. Este proceso se caracteriza porque el movimiento principal corresponde a la rotación de la herramienta, el movimiento de avance se constituye como el desplazamiento lineal del material de trabajo y la orientación entre el eje de la herramienta y la dirección del avance es perpendicular. Adicionalmente, es importante resaltar que el corte que se genera es

14

interrumpido, es decir que el filo de corte de la herramienta no permanece en contacto con el material; lo cual implica que se generan fuerzas de impacto y choques térmicos. En general, existen dos tipos de fresado, fresado plano y fresado frontal; cada uno de estos se da a conocer en la tabla 2.

Tabla 2 Tipos de Fresado

Tipo Descripción Esquema

Fresado Plano (periférico)

La principal característica es que el eje de la herramienta es paralelo a la superficie de trabajo. En este tipo de fresado se distinguen 4 operaciones principales:

Fresado de placa: el ancho de la herramienta supera el ancho de la pieza de trabajo.

Ranurado: el ancho de la herramienta no supera el ancho de la pieza de trabajo.

Fresado latera: a través de este se maquina un lado de la pieza de trabajo.

Fresado paralelo simultáneo: similar al fresado lateral, pero se maquinan simultáneamente los dos lados de la pieza de trabajo.

[18] Ilustración 12 Esquema Fresado Plano

[18] Ilustración 13 Operaciones Fresado Plano

Fresado Frontal (de caras)

La principal característica es que el eje de la herramienta es perpendicular a la superficie de trabajo. En este tipo de fresado se distinguen 6 operaciones:

Fresado convencional: el ancho de la herramienta supera el ancho de la pieza de trabajo.

Fresado parcial: la herramienta solo sobrepasa la pieza de trabajo en un lado.

Fresado terminal: a través de este se realizan ranuras.

Fresado de perfiles: con estas operaciones se maquina el borde de la pieza de trabajo.

Fresado de cavidades: a través de esta se maquinan cavidades poco profundas.

Fresado de contorno superficial: con esta se generan superficies tridimensionales.

[18] Ilustración 14 Esquema Fresado frontal

[18] Ilustración 15 Tipos de Fresado Frontal

15

Adicionalmente, se distinguen dos formas de fresado, dadas por la combinación de las direcciones del movimiento principal y del movimiento de avance; estas son:

Fresado ascendente: también conocido como fresado convencional. Este se caracteriza porque el corte se realiza en contra del movimiento de avance; por lo que la sección transversal de la viruta aumenta. Con esta forma de fresado las fuerzas tienden a levantar la pieza de trabajo y la longitud de la viruta es larga. Tal y como se observa en la ilustración 16.

Fresado descendente: también conocido como fresado de escalamiento. En este el corte se realiza en la dirección del avance; por lo que la sección transversal de la viruta decrece. Con este fresado las fuerzas de corte tiende a empujar la pieza de trabajo contra la mesa de apoyo, por lo que la sujeción puede ser menos estricta. Para mayor claridad, observe la ilustración 16.

[18] Ilustración 16 Formas de Fresado

En cuanto a las variables de control en el proceso de fresado, al igual que en el torneado, se tienen los parámetros de corte y las condiciones de corte; en este caso los parámetros de corte principales son:

Velocidad de corte eficaz, : cuantifica la velocidad tangencial en el diámetro eficaz de la herramienta. Este parámetro se determina en función del material a maquinar.

Avance, : representa la velocidad de la pieza de trabajo.

Profundidad de pasada, : corresponde a la distancia perpendicular en la cual

la herramienta tiene contacto con el material de trabajo.

Y los parámetros de corte derivados son:

Velocidad de rotación (del husillo) , : velocidad angular de la herramienta; este se puede calcular como:

[18]

Ecuación 10 Velocidad de Rotación - Fresado Donde es el diámetro eficaz de la herramienta en y es la velocidad de corte en .

Avance por diente, : también llamado carga de viruta porque representa el tamaño de la viruta que se forma por cada diente de la herramienta. Este se calcula como:

[18]

Ecuación 11 Avance por diente - Fresado Donde es la velocidad de avance en , es la velocidad de rotación en

y corresponde al número de dientes de la herramienta.

16

Ancho de corte, : como su nombre lo indica, corresponde al ancho del corte, por lo general el diámetro de la herramienta.

Por otra parte, las condiciones de corte hacen referencia a todos los factores bajo los cuales se ejecuta la operación, al igual que en el proceso de torneado, mientas que la tasa de remoción y la potencia neta se calculan a través de las ecuaciones 12 y 13, respectivamente.

Ecuación 12 Tasa de remoción – Fresado

Donde es la tasa de remoción en , el ancho del corte en , es la

profundidad de pasada en y es el avance en .

[18]

Ecuación 13 Potencia neta - Fresado

Donde es la potencia neta en , es el avance en , es la profundidad de

pasada en , es el ancho de corte en Y es la fuerza específica de corte en , la cual es función del material y del avance por diente.

2.3.3 Taladrado Se denomina como taladrado al proceso bajo el cual se generan agujeros por arranque de viruta. En este proceso el movimiento principal corresponde a la rotación de la herramienta y el movimiento de avance siempre se da en dirección paralela al eje de la herramienta; tal y como se ilustra a continuación.

[19] Ilustración 17 Esquema Taladrado

En el proceso de taladrado se distinguen, principalmente, dos clases en función de la relación longitud – diámetro del agujero:

Taladrado convencional: esta clase de taladrado se asocia a la manufactura de agujeros, por decirlo así, cortos; con relaciones de longitud – diámetro inferiores a 8.

Taladrado profundo: se denomina de esta forma cuando la operación de taladrado da lugar a un agujero de una longitud superior a 8 veces el diámetro.

Ahora bien, con la operación de taladrado es posible producir 3 tipos básicos de agujero: cilíndrico pasante, cilíndrico ciego y cónico pasante; estos se observan en la ilustración 18.

[20] Ilustración 18 Tipos básicos de agujero

Ya que en la operación de taladrado las herramientas que se usan son tipo broca es pertinente dar a conocer algunas generalidades entorno a su geometría; geometría que se dividen en

17

mango y parte cortante. La primera permite la sujeción de la herramienta; y la segunda, como su nombre lo indica es aquella que permite generar el corte. La geometría de la broca se ilustra con sus respectivas partes, en la siguiente imagen.

[19] Ilustración 19 Geometría de la broca

También es posible distinguir 3 ángulos en los filos de una broca, estos son función del tipo de material y de finalidad específica de la herramienta; estos se muestran en la ilustración 20.

[19] Ilustración 20 Ángulos en los filos de la broca

Tras lo anterior, vale la pena especificar los parámetros de corte que se tienen en cuenta en la operación de taladrado; estos son:

Velocidad de corte, : cuantifica la velocidad tangencial en el diámetro de la herramienta. Este parámetro se determina en función del material a maquinar.

Velocidad de Avance, : representa la velocidad de la pieza respecto a la

pieza de trabajo.

Velocidad de rotación (del husillo) , : velocidad angular de la herramienta; este se puede calcular como:

[19]

Ecuación 14 Velocidad de Rotación - Taladrado Donde es el diámetro de la herramienta en y es la velocidad de corte en .

Avance por filo, : corresponde al desplazamiento por filo en una revolución de la herramienta. Este se calcula como:

18

[19]

Ecuación 15 Avance por diente - Taladrado Donde es la velocidad de avance en , es la velocidad de rotación en

y corresponde al número de filos de la herramienta (generalmente 2).

Ancho de viruta, : como su nombre lo indica, corresponde al ancho que tiene la sección transversal de la viruta. Se puede calcular como:

[19]

Ecuación 16 Ancho de viruta - Taladrado Donde, y es el ángulo de posición del filo principal en .

Espesor de corte, : como su nombre lo indica, corresponde al espesor que tiene la viruta, se puede expresar como:

[19] Ecuación 17 Espesor de corte - Taladrado

Donde, es el avance por filo en y es el ángulo de posición del filo principal en .

Sección de viruta [ ], : corresponde al área de la sección transversal de la viruta; idealmente, la sección transversal es la de un rectángulo, por lo que:

[19]

Ecuación 18 Sección de viruta – Taladrado

Donde es el espesor de corte en , es el ancho de viruta en , es el avance por filo en y es el diámetro de la herramienta en .

Estos parámetros se muestran gráficamente en la siguiente ilustración.

[19] Ilustración 21 Parámetros de corte - Taladrado

Con base en lo anterior es posible definir la tasa de remoción y la potencia de corte para esta operación a través de las ecuaciones 19 y 20, respectivamente.

Ecuación 19 Tasa de remoción – Taladrado

Donde es la tasa de remoción en , el diámetro de la broca en y es el

avance en .

19

[19]

Ecuación 20 Potencia de corte - Taladrado

Donde es la potencia de corte en , es la velocidad de corte en , es el número de filos, es el espesor de corte en , es el ancho de viruta en y es la fuerza específica de corte en ; esta última se determina en función del material y de la sección de viruta. Por otra parte, es importante señalar que con la operación de taladrado, típicamente, se alcanzan tolerancias dimensionales con calidades ISO superiores a 8 y con acabados superficiales entre N7 y N9. Para mayor claridad tenga en cuenta que:

[21] Ilustración 22 Clases de rugosidad

En relación a lo anterior, es posible introducir otro parámetro de control para la calidad de un agujero, la concentricidad; esta tolerancia geométrica puede calcularse a través de la ecuación, para brocas helicoidales.

[22]

Ecuación 21 Tolerancia de concentricidad – Taladrado

Donde es la tolerancia de concentricidad en , es la longitud de la broca en y es el diámetro de la broca en Dada la calidad de los agujeros que se generan con el proceso de taladrado, resulta interesante dar a conocer otras operaciones para manufacturar agujeros; las más conocidas son:

Escariado: con esta operación se consiguen agujeros de mayor exigencia; en general, se obtienen tolerancias dimensionales con una calidad hasta IT7. Adicionalmente, es importante indicar que con esta operación se suela ampliar el diámetro del agujero en 3 o 4 décimas de milímetro.

Mandrinado: la finalidad de esta operación es la misma que la del escariado, no obstante, con el mandrinado se alcanzan tolerancias dimensionales con una calidad hasta IT6.

Para mayor claridad, a continuación se presenta una ilustración en la cual se comparan diferentes procesos de manufactura bajo dos parámetros: la calidad IT y el acabado superficial.

20

[21] Ilustración 23 Comparación procesos de manufactura

2.3.4 Modelo de cotización

En primer lugar, es importante señalar que el modelo de costos planteado para el módulo de mecanizado se fundamenta en el método Metcut [5], no solo por su fuerte base teórica, sino también porque se han obtenido resultados de forma experimental que lo validan, en trabajos previos realizados en el LATEM. Este método puede ser aplicado tanto en operaciones de torneado como en operaciones de fresado y taladrado. Con este, la estimación del costo (en su forma genérica), se realiza a través de la siguiente ecuación:

(

) (

)

Ecuación 22 Modelo Metcut - General

Donde, es el costo por pieza [$/pieza] es el costo del operario [$/min] es el costo de depreciación de la herramienta [$/pieza] es el costo de afilado [$/min] es el costo de herramienta, incluyendo el cambio de herramienta [$/pieza] es el costo de la muela de afilar [$/filo reafilado]

es el tiempo de preparación de la

máquina [min/pieza] es el tiempo de cambio de la herramienta [min/pieza] es el tiempo de afilado [min] es el tiempo de soldadura [min] es el número de piezas del lote es el número de piezas mecanizadas por filo

Con esta expresión se evidencia que el costo se calcula entorno a dos componentes, la herramienta y el operario. Ahora bien, el modelo de costos del módulo de mecanizado se limita a operaciones básicas de torneado, fresado y taladrado, realizadas tanto en máquinas convencionales como en

21

máquinas de control numérico. El modelo de costos únicamente tiene en cuenta los costos directos asociados a la manufactura, por lo que se excluyen los costos relacionados con impuestos, seguros, arrendamiento, depreciación y mantenimiento de los equipos. Adicionalmente, resulta apropiado especificar las suposiciones con las que trabaja el modelo:

- El cliente proporciona la materia prima en condiciones óptimas para su procesamiento.

- Los equipos y las herramientas necesarias para el proceso de manufactura se encuentran en condiciones óptimas.

Con lo anterior en mente, es posible dar a conocer las funciones de costos para cada operación, vale la pena recordar que son de carácter teórico.

1. Costo de torneado: La función para calcular el costo de torneado parte de la información proporcionada por el método Metcut, información que se muestra en forma esquemática en la ilustración 24.

Ilustración 24 Método Metcut Torneado

Sin embargo, por el desconocimiento de algunas variables y por su difícil medición se decide despreciar los siguientes términos: Tiempo de desplazamiento en vacío, Costo de portaplaquitas y el Costo de la muela de afilar. Adicionalmente, se incluye un nuevo componente para la estimación del costo, el consumo energético; como resultado se obtiene la función de costos que se muestra en la ecuación 23.

22

[ (

) (

(

))] ( )

Ecuación 23 Función de costo Torneado

Donde, es el costo por pieza [$/pieza] es el costo del operario [$/min] es el costo de la herramienta [$] es el costo de la energía eléctrica [$/kWh] es el volumen removido [ ] es el tiempo de vida de la herramienta [min] es el tiempo de preparación de la

máquina [min/pieza]

es el tiempo de cambio de la herramienta [min/pieza] es el tiempo de carga y descarga [min/pieza] es el tiempo de inspección de calidad [min/pieza] es la energía consumida por la máquina [kWh] es el número de filos de corte de la herramienta [-] es la tasa de remoción de la operación de torneado [ ] (ver ecuación 6)

2. Costo de fresado:

De igual forma, la función para calcular el costo de fresado parte de la información proporcionada por el método Metcut, información que se resume a través de la ilustración 25.

Ilustración 25 Modelo Metcut Fresado

Los términos que se deprecian son los mismos que en el caso de torneado, es decir, el Tiempo de desplazamiento en vacío, Costo de portaplaquitas y el Costo de la muela de afilar. De igual

23

forma, se adiciona el término para calcular el costo por el consumo de electricidad. La función de costos que se utiliza es:

(

)

(

)

Ecuación 24 Función de costo Fresado

Donde, es el costo por pieza [$/pieza] es el costo del operario [$/min] es el costo de la herramienta [$] es el costo de la energía eléctrica [$/kWh] es el volumen removido [ ] es el tiempo de vida de la herramienta [mm] es el tiempo de preparación de la

máquina [min/pieza] es el tiempo de cambio de la herramienta [min/pieza]

es el tiempo de carga y descarga [min/pieza] es el tiempo de inspección de calidad [min/pieza] es la energía consumida por la máquina [kWh] es el número de filos de corte de la herramienta [-] es la tasa de remoción de la operación

[ ] (ver ecuación 12) es el número de dientes de la herramienta [-]

3. Costo de taladrado

El método Metcut propone la estimación de costos para las operaciones de taladrado como se aprecia en la siguiente ilustración.

Ilustración 26 Método Metcut Taladrado

24

La función de costo es el resultado de despreciar el término de desplazamiento en vacío en la expresión del método Metcut y de adicionarle el componente del consumo energético. Así que el costo se puede estimar como:

(

)

(

)

Ecuación 25 Función de costo Taladrado

Donde, es el costo por pieza [$/pieza] es el costo de afilado [$/min] es el costo del operario [$/min] es el costo de la herramienta [$]

es el costo de la energía eléctrica [$/kWh] es la profundidad del agujero [ ] es el tiempo de vida de un filo [mm] es el tiempo de preparación de la

máquina [min/pieza]

es el tiempo de cambio de la herramienta [min/pieza] es el tiempo de carga y descarga [min/pieza] es el tiempo de afilado [min] es el tiempo de inspección de calidad [min/pieza] es la energía consumida por la máquina [kWh] es el número de afiladas en la vida de la herramienta [-] es la velocidad de avance [mm/min]

2.4 Módulo de Fundición

En esta sección se presenta una breve explicación del proceso de fundición; tras esto se hace énfasis en la fundición con arena. Además se especifica el modelo de cotización utilizado. Para empezar, es preciso señalar que la fundición hace parte de los procesos de manufactura de formación, por medio del cual material en estado líquido adopta la forma de una cavidad; cavidad que se conoce como molde. El proceso de fundición puede realizarse a través de diferentes tecnologías, en la siguiente ilustración se presentan un mapa conceptual en el que se agrupan estas tecnologías en tres grandes grupos con base en su principio de funcionamiento: Molde perdido, Molde permanente y Molde y patrón perdidos.

25

[23] Ilustración 27 Tecnologías de fundición

Asimismo, en la tabla 3 se dan a conocer las características principales de estas tecnologías mencionadas.

Tabla 3 Tecnologías de fundición

Tecnología Características

Fundición en arena

Moldeo manual

Es posible fundir cualquier metal y por lo general la cantidad de piezas es mínima. En cuanto a la masa que se puede fundir, esta se limita por la capacidad del transporte y de la colada. Las bases de las máquinas pueden ser un ejemplo de parte con las que se usa esta tecnología.

Fundición en arena

Moldeo con máquina

Cualquier metal se puede fundir; se pueden tener hasta lotes grandes. La masa que se puede fundir, esta se limita por la capacidad de las máquinas de moldeo. Autopartes, como los cigüeñales pueden manufacturarse a través de este proceso.

Fundición en arena

Moldeo en cáscara

Con esta tecnología se pueden fundir todos los metales, pero piezas hasta de 150 kg. Respecto a la cantidad de piezas, pueden manufacturarse hasta lotes grandes. Como ejemplo se tienen las uniones para tuberías y algunas válvulas.

Fundición a presión

Se pueden usar con aleaciones de aluminio, magnesio, cobre, zinc. Las piezas sueles tener menos de 50kg, aunque esto varía en función de la aleación. Esta tecnología se utiliza para producción en serie. Algunos engranajes pueden fabricarse de esta forma.

Fundición a baja presión

Se utiliza con metales livianos, especialmente con aleaciones de cobre y hierro fundido laminar y globular. La masa fundida debe ser inferior a 100kg y se emplea en producciones en serie. Una pieza típica manufacturada con esta tecnología es el pistón de un carro.

Fundición centrifuga

Las piezas producidas se caracterizan por ser superficies de revolución; los materiales usuales son el hierro fundido laminar o globular, el acero y aleaciones de cobre. Pueden generarse piezas hasta de 5 toneladas y por lo general se utiliza en producciones en serie.

Fundición continua

Permite manufacturar piezas con sección transversal continua y de la longitud deseada (perfiles); únicamente se limita por la capacidad de la

Tecnologías de fundición

Molde Perdido

Fundición en arena - Moldura Manual

Fundición en arena - Moldura con máquina

Moldeo en cáscara

Molde Permanente

Fundición a presión

Fundición a baja presión

Fundición centrifuga

Fundición continua

Molde y Patrón Perdidos

Fundición de precisión

Fundición con molde completo

26

máquina. Puede usarse con hierro fundido y aleaciones de cobre.

Fundición de precisión

Se emplea con todo los metales para manufacturar piezas de hasta 100kg. La cantidad de piezas es mínima. Las piezas suelen tener una alta complejidad geométrica, como un rotor de una turbina.

Fundición con molde

completo

Se utiliza para piezas únicas o lotes muy reducidos; no existen limitaciones considerables con la masa que se puede fundir, al igual que con los metales que se pueden usar. Con esta tecnología se pueden generar bases de grandes máquinas.

En general, el proceso de fundición se encuentra dividido en 4 etapas:

Etapa de fundición: en esta la materia prima del material a fundir se prepara y se funde.

Etapa de moldeo: etapa concerniente a la preparación de los moldes.

Etapa de colada: hace referencia al llenado de los moldes, la solidificación del metal y el desmolde.

Etapa de acabado: como final del proceso, comprende el acabado superficial de las piezas y la inspección de calidad.

Todas las estas etapas tienen lugar sin importar la tecnología de fundición empleada y se muestran en la ilustración 28; ilustración en la que también se identifican las diferentes variantes de cada una de las etapas.

[24]

Ilustración 28 Diagrama de flujo - Fundición

27

Ahora bien, dado que el cotizador está dirigido a la estimación de costos para producciones que no son en serie y teniendo en cuenta que se desarrolla en el contexto de la mediana industria local, se decide restringir el módulo de fundición a la tecnología de fundición en arena con moldeo manual. Así pues, es importante presentar los recursos y las variables de control involucradas en el proceso de fundición en arena. En relación a los recursos, los siguientes hechos son de interés:

En la etapa de fusión se concentra entre el 40 y el 60% de toda la energía empleada en el proceso; podrían situarse entre 400 y 1200 kWh/tonelada, dependiendo del tipo de metal.

El consumo de aglomerantes y arena varían en función del tipo de moldeo usado. El proceso de fundición tiene asociada la emisión de partículas, de COV (compuestos

orgánicos volátiles), y los , en función del tipo de horno utilizado y de la técnica de moldeo.

De forma global, en la ilustración 29 se presenta el flujo de los recursos en el proceso de fundición en arena; de este se induce que las principales variables de control son el tipo de horno y las materias primas, las cuales dependerán del material a fundir y de la técnica de moldeo.

[24] Ilustración 29 Flujo de materiales - Fundición

Entre las materias primas se encuentra la arena, los tipos empleados típicamente se exponen en la tabla 4.

28

Tabla 4 Arenas típicas - Fundición

Tipo de arena

Características generales

Arena silícea - Se compone principalmente por cuarzo. - Su densidad seca es de entre 2.5 y 2.8 . - Es una arena neutra, por lo que es compatible con todos los aglomerantes.

Arena de cromita

- Es un mineral de cromo que contienen óxidos de magnesio y aluminio. - Su densidad seca es de entre 4.3 y 4.6 . - Difusividad térmica superior en más de 25% respecto a la arena silícea. - La expansión térmica es menor a la de la arena silícea. - Es más refractaría, más estable térmicamente y tiene una mayor

capacidad de enfriamiento que la arena silícea.

Otros componentes fundamentales son los aglomerantes, entre los más usados se tienen la bentonita y las resinas. La bentonita es una arcilla, por lo que mediante la adición de agua aumenta su maleabilidad. Mientras que las resinas son aglomerantes químicos que permiten crear una película fina alrededor de los granos de arena; película que se endurecerá ya sea en frio, con gas o mediante la aplicación de calor. En cuanto a los hornos se tiene una diversidad alta de tecnologías; así que en la tabla 5 se exponen un breve resumen de estas, con el fin de identificar las variables de control.

Tabla 5 Tipos de hornos - Fundición Tipo de horno

Características

Cubilote

Es un horno de cuba que tiene un revestimiento refractario y en el que la temperatura proviene de la combustión de coque. Todos los elementos a fundir, junto con los escoriantes y el coque se introducen al horno por la parte superior; todo es precalentado por los gases de combustión que fluyen hacia arriba del horno. Cuando la carga alcanza la zona de combustión, el metal se funde y por la acción de la gravedad este se deposita en el fondo del cubilote. Existen dos clases de estos hornos: de viento frio y de viento caliente. En el primero el aire utilizado para la combustión se encuentra a presión atmosférica, mientras que en el segundo el aire se precalienta. Una variación de estos hornos son los de cubilote de larga campaña, se diferencias porque son refrigerados con agua, lo cual les permite prologar la vida útil del material refractario.

Horno eléctrico de

arco

Son hornos discontinuos; estos cuentan con un cuerpo cilíndrico refractario y una solera. Estos hornos son de gran tamaño, generalmente. En estos el material se funde a través de un arco eléctrico generado por corriente eléctrica trifásica entre tres electrodos de grafito que se ubican en la parte superior del cuerpo cilíndrico. Este tipo de hornos se emplean por lo general para fundir acero. Y es posible alcanzar hasta un rendimiento térmico del 80%. Es importante indicar que el recubrimiento puede ser ácido o básico; de esto dependerán procesos químicos adicionales para refinar el metal, como la decarburación.

Hornos de inducción

Su funcionamiento se basa en el principio de inducción electromagnética. En donde se crea un campo magnético al hacer pasar corriente eléctrica por un embobinado alrededor del horno; este campo a su vez induce una corriente a través del metal que va a fundirse. Dada la resistencia eléctrica del metal, se genera el calor que permite la fusión. Estos hornos son utilizados tanto para fundir metales ferrosos como no ferrosos

29

y se pueden distinguir dos clases: - Hornos de inducción sin núcleo - Hornos de inducción de canal

Hornos de crisol

Estos hornos son básicamente crisoles que se calientan por la combustión de gases o por electricidad. Son utilizados únicamente para fundir metales no ferrosos en cantidades menores a 500 kg, por lo general. En su uso se procura que el crisol no mantenga contacto directo con la llama, para no generar puntos calientes y por ende fenómenos como la oxidación y la vaporización del metal.

Cabe señalar que los hornos más utilizados en la fundición con arena son los de crisol y los de inducción, por su capacidad, mantenimiento y fácil acceso. Los hornos de cubilote y de arco eléctrico suelen emplearse para procesos con altos requerimientos en cuanto a capacidad, como en producciones en serie, fundición continua.

2.4.1 Modelo de cotización El modelo de costo del módulo de fundición se basa en la propuesta desarrollada por Chougule y Ravi [7], en el Instituto Indio de Tecnología de Bombay; y en el análisis del proceso productivo de la empresa Aleaciones Técnicas Ltda. Es importante señalar que el modelo de estimación de costos de Chougule y Ravi [7] está destinado a fundición de metales ferrosos y tiene por parámetros de entrada los atributos de la pieza, lo cual incluye sus características geométricas, el material, la calidad y los requerimientos de producción. Este modelo está compuesto por dos instancias, en la primera se usan ecuaciones analíticas para determinar el costo asociado al material y a su conversión, es decir, al costo de la energía y al costo de mano de obra. Y en la segunda instancia, se usa un método paramétrico para estimar el costo de las herramientas en función de la complejidad geométrica de la pieza. Otra característica de gran relevancia es que este modelo de estimación de costo es semi-automático, ya que los parámetros relacionados con el proceso y su planeación son proporcionados por un sistema de colaboración de ingeniería inteligente denominado como WebICE. Ahora bien, el otro pilar del modelo de costo es la empresa Aleaciones Técnicas Ltda., empresa colombiana con más de 30 años de trayectoria en la industria nacional e internacional, con énfasis en los procesos de fundición de metales no ferrosos, mecanizado, troquelado e inyección; adicionalmente, es de resaltar que esta empresa cuenta con la acreditación de calidad ISO 9001:2008. En consecuencia, es pertinente dar a conocer el proceso productivo desarrollado en Aleaciones Técnicas Ltda. para la fundición de metales no ferrosos; este puede dividirse en tres etapas: Moldeo, Fusión y Acabado, tal y como se evidencia en la siguiente ilustración.

30

Ilustración 30 Proceso productivo Fundición - Aleaciones Técnicas Ltda.

La etapa de moldeo involucra todas las actividades y tares que se deben llevar a cabo para obtener los moldes en arena. La etapa de fusión comprende todo el proceso de colada de las piezas y del desmolde. Y finalmente, la etapa de acabado es aquella en la cual se inspecciona la calidad de las piezas y se dan procesos para mejorar el acabado superficial, como el granallado o el sandblasting. Por otra parte, el modelo de costos planteado para el módulo de fundición solo toma en cuenta los costos directos asociados a la manufactura, por lo que costo relacionados con trasporte, impuestos, depreciación de equipos, arrendamiento y manejo administrativo no se incluyen en el resultado. Finalmente, a continuación se presentan la simbología y tras esto la funciones de costos en la ecuación 26 y las funciones complementarias en la ilustración 31.

31

Ecuación 26 Función de costos Fundición

Ilustración 31 Funciones complementarias - Modelo de costos Fundición

32

2.5 Módulo de Prototipado Rápido

En esta sección se dará a conocer el módulo de prototipado rápido, este cubre dos de los procesos en el área de la manufactura aditiva de materiales poliméricos: Deposición de plástico fundido (FDM) y EstereolitografÍa (STL). Es importante mencionar que se restringe el módulo a estas tecnologías por su alta disponibilidad en la industria local y su auge en la última década. Para empezar, se presenta una breve explicación de cada una de las tecnologías, con sus respectivas variables de control; para luego especificar el modelo de cotización utilizado y las bases de datos generadas. En principio, se aclara que el proceso de prototipado rápido permite generar piezas por capas utilizando técnicas de manufactura asistida por computador; el resultado se considera una réplica de un diseño CAD. En la siguiente ilustración se dan a conocer las etapas generales en el proceso de prototipado rápido.

Ilustración 32 Etapas proceso de prototipado rápido

La etapa de planeación está conformada por todas las tareas que se debe realizar para conseguir que la máquina empiece a construir capa a capa la pieza; por lo cual se incluye la elaboración del modelo CAD, la generación (conversión) del archivo tipo STL, la definición de las trayectorias (para el extrusor o para el rayo láser) y la configuración de los parámetros para la construcción del sólido. Mientras que en la etapa de construcción la máquina genera capa por capa la pieza, teniendo en cuenta que en ocasiones debe crear soportes para lograr la geometría adecuada. Finalmente, en la etapa de post-procesamiento se remueve el material de soporte, para así obtener la geometría requerida; y dependiendo de la aplicación y del tipo de tecnología pueden llevarse a cabo procedimientos para mejorar el acabado superficial.

2.5.1 Deposición de plástico fundido (FDM) Con esta tecnología se extruye un material termoplástico a través de un boquilla; este material se deposita capa por capa de tal forma que se genera un objeto tridimensional. Como tal las capas se crean por la deposición de un hilo de material fundido. En la ilustración 33 se dan a conocer las partes típicas de un equipo de FDM. En esta se evidencia que el cabezal o

•Modelo CAD

•Archivo tipo STL

•Generación de trayectorias por capas

•Configuración de los parámetros del proceso

PLANEACIÓN

•Se genera el sólido capa por capa.

•Necesidad de material de soporte

CONSTRUCCIÓN

•Remosión de material de soporte

•Tratamientos para mejorar el acabado superfical

POST- PROCESAMIENTO

33

extrusor cuenta con dos grados de libertad de traslación, tales grados permiten crear las diferentes formas de cada capa; adicionalmente, se muestra que existen dos tipos de filamentos, uno se emplea para conformar la pieza como tal y el otro se usa exclusivamente para construir los soportes necesarios. Respecto a esto se aclara que algunos equipos usan un único material para la pieza y para los soportes; por lo que a los soportes se les asignan parámetros de control diferentes. También se muestra que la plataforma sobre la cual se construye la pieza tiene un grado de libertad de traslación, este permite ubicar el extrusor a la altura de cada capa.

[25] Ilustración 33 Esquema Equipo de FDM

Toda pieza generada a través de esta tecnología se puede dividir en dos zonas, un armazón y la parte interna. El armazón es la parte externa de la pieza, está conformado por el borde de cada una de las capas; mientras que la parte interna es, por decirlo así, el núcleo de la pieza. Para mayor claridad, en la ilustración 34 se observan estas partes.

[26]

Ilustración 34 Pieza FDM

Teniendo en cuenta lo anterior, en la tabla 6 se dan a conocer los parámetros de control más usuales en esta tecnología.

34

Tabla 6 Parámetros de control - FDM Parámetro de control

Descripción Esquema

Material

Pese a que el principio de funcionamiento de la tecnología permite usar cualquier material termoplástico, en la actualidad las materias primas típicamente usadas son el ABS (acrilonitrilo butadieno estireno) y el PLA (ácido poliláctico).

En la ilustración 40 se presenta un breve comparativo entre los materiales mencionados.

Altura de capa

Corresponde al espesor de cada una de las capas. En la medida es la que la altura es menor el acabado superficial de la pieza mejora y la cantidad de detalles que se consiguen es mayor. No obstante, el tiempo de manufactura aumenta, al igual que los costos. Esta puede variar entre 0.1 y 0.4 mm.

[27] Ilustración 35 Altura de capa - FDM

Densidad de relleno

(infill)

Hace referencia a la relación entre el material utilizado y el volumen ocupado por la pieza. Por lo general se expresa como un porcentaje respecto a la pieza maciza. En la medida en la que el infill aumenta, el costo y el tiempo de manufactura también lo hace. Típicamente, 10, 20, 50, 75 o 90%.

[28]

Ilustración 36 Densidad de relleno - FDM

Patrón

Para alcanzar la densidad de relleno deseada es necesario generar un patrón para la distribución del material capa a capa. El tipo de patrón influye en la resistencia mecánica de la pieza y en el tiempo de manufactura. El más usual es denominado como patrón tipo panal o hexagonal.

[29]

Ilustración 37 Patrón-FDM

Armazón Este parámetro determina el espesor del armazón.

[30] Ilustración 38 Armazón - FDM

35

Soportes Se refiere a la configuración para los soportes, esto incluye el tipo de material, la densidad de relleno , el patrón, etc.

[31] Ilustración 39 Soporte - FDM

Ilustración 40 Comparación materiales - FDM

Otros parámetros de control son: - La velocidad con la que se deposita el material, en general suele ser predeterminado

por el fabricante de los equipos en función de la calidad de la pieza que se desee tener. - La temperatura del extrusor, variable que se ajusta en función del material.

Adicionalmente cabe mencionar que la primera capa suele tener una configuración especial, en la cual se genera un exceso de material para mejor la adhesión a la plataforma de trabajo y evitar posibles defectos.

2.5.2 EstereolitografÍa (SLA) Su principio de operación es el fotocurado de resinas. Por lo que con esta técnica se solidifican la resina capa por capa de forma controlada, por medio de la aplicación puntual de un rayo láser ultravioleta. La estructura genérica de un equipo de prototipado rápido que usa esta tecnología se muestra en la ilustración 41.

[32] Ilustración 41 Esquema Equipo de SLA

36

Una vez que ya se han identificado los componentes de un equipo de SLA, es posible explicar con más detalle su funcionamiento. El proceso inicia llenando el tanque (recipiente) con la resina fotocurable, luego, la plataforma de construcción se desplaza hasta dejar por encima de ella el espesor de la capa que se haya configurado para la pieza, típicamente este oscila entre 0.05 y 0.15 mm. Con la plataforma en posición, el láser se activa y su rayo es direccionado a través de espejos, de tal forma que se impacta la resina de acuerdo a la geometría de la pieza. El proceso continúa desplazado la plataforma de construcción para dejar una capa de resina sobre esta y pasado por la superficie de la resina el dispersor, de tal forma que la capa esté en las mejores condiciones, libre de material afectado por el rayo láser. Esta tecnología se caracteriza por generar piezas de alta precisión y con un acabado superficial sobresaliente; adicionalmente, es posible generar paredes con espesores mucho menores que los alcanzados por FDM y por supuesto, piezas con propiedades ópticas de gran valor agregado, como la traslucidez. Es de resaltar que la etapa de post-procesamiento es de alta importancia cuando se usa SLA, puesto que por lo general es necesario construir soportes y su remoción debe ser cuidadosa. Tal remoción puede afectar el acabado superficial, así que es posible que se deban realizar operaciones para mejoras el acabado, como el uso de agentes químicos. Por otra parte, los parámetros de control que se tienen en este proceso son:

Material: como ya se ha mencionado, es necesario emplear resinas fotocurables; en cuanto a estas es preciso resaltar que sus propiedades son diversas. Existen resinas flexibles, resinas de alta resistencia al desgaste, resinas para procesos de fundición con molde y modelo perdido y resinas convencionales, por supuesto.

Altura de capa: al igual que con la tecnología FDM, este parámetro indica el espesor de las capas; lo cual afecta el acabado superficial y el nivel de detalle de la pieza. Con SLA la altura de capa oscila entre 0.05 y 0.15mm.

Condiciones del fotocurado: son el conjunto de parámetros para efectuar el fotocurado de la resina, algunas de las variables son la intensidad del rayo láser y la velocidad. Todo esto es función del material, por lo que suelen estar predefinidas.

Posicionamiento del modelo CAD: la posición del modelo CAD define la forma en la cual se construirá la pieza, por lo que es de gran importancia posicionar el modelo CAD de la mejor forma, es decir, evitando puntos sin sustento y capas extensas. Para esto, los fabricantes de equipos desarrollan software para el pre-procesamiento, en el que se orientan adecuadamente las piezas y se generan las capas y las trayectorias del rayo láser.

2.5.3 Modelo de cotización

Para el módulo de prototipado rápido se ha creado un modelo de costos, con base en la experiencia de los encargados del área de impresión 3D del laboratorio de manufactura de la Universidad de los Andes y por supuesto, con la revisión bibliográfica en torno a la tecnología de los equipos y de la manipulación de los programas para el procesamiento de los modelos CAD. El modelo propuesto únicamente tiene en cuenta los costos directos asociados a la manufactura, por lo que la depreciación de los equipos, los impuestos, los seguros, el arrendamiento y el manejo administrativo no se incluyen en el resultado final. Ahora bien, este modelo es aplicable tanto a la tecnología FDM como a la tecnología SLA, pero se debe prestar

37

especial atención a los consumibles asociados a cada una. Dicho esto, se procede a especificar las funciones de costos:

Ecuación 27 Función de costo Prototipado rápido

Donde,

( )

∑

∑

Ilustración 42 Funciones complementarias Prototipado Rápido

⁄ ⁄

2.6 Módulo de Doblado de lámina En esta sección se dará a conocer el módulo de doblado, por lo que se presentará una breve explicación del conformado de metales, tras esto se expondrán las variables de control en el proceso de doblado. Luego, se precisará el modelo de cotización utilizado. Para empezar, se define el conformado de metales como un conjunto de procesos/ operaciones que se basan en el concepto de deformación plástica, para generar piezas con características particulares. Luego, es preciso señalar que la deformación plástica corresponde al cambio en la geometría de un cuerpo de forma permanente, lo cual implica superar el límite de fluencia del material. Teniendo en cuenta lo anterior, resulta evidente que la facilidad para

38

conformar un metal depende del límite de fluencia y de la ductilidad del material; en la medida en la que el límite de fluencia es menor y la ductilidad mayor, las condiciones para el conformado mejoran. Los procesos de conformado pueden clasificarse bajo tres aspectos: la temperatura de trabajo, la materia prima y el propósito. Desde la temperatura de trabajo se tienen tres tipos:

Conformado de metales por trabajo en frio: la temperatura bajo la cual se efectúa la deformación plástica corresponde a la temperatura ambiente o una inferior a esta.

Conformado de metales por trabajo en tibio: la temperatura de trabajo es superior a la temperatura ambiente, pero inferior a la temperatura de recristalización; la última hace referencia a la mínima temperatura con la cual los granos que se encuentren deformados pasan a ser granos equiaxiales o poliédricos.

Conformado de metales por trabajo en caliente: la temperatura de trabajo es superior a la temperatura de recristalización [33].

Con respecto a la clasificación de los procesos de conformado de metales según la materia prima, se tienen dos grupos: conformado de láminas y conformado de bloques. Y con base en el propósito, también se establecen dos grupos: operaciones de formado o preformado y operaciones de deformación volumétrica. Estas dos clasificaciones se encuentra altamente relacionadas, puesto que las operaciones de formado o preformado se asocian a láminas, mientras que las operaciones de deformación volumétrica se asocian a bloques. En cuanto a la clasificación por el propósito, vale la pena mostrar el siguiente esquema, ya que es posible identificar todas las operaciones de conformado.

Ilustración 43 Operaciones de conformado de metales

Ahora bien, dado el interés del módulo, es preciso hacer énfasis en el proceso de doblado de lámina. Este proceso es una operación de conformado de metales por trabajo en frio; específicamente, las piezas obtenidas son el resultado de haber deformado plásticamente la materia prima alrededor de un eje recto, por medio de la aplicación de fuerza a temperatura ambiente o inferior [34]. Es importante mencionar que el material aumenta su resistencia, dado que la densidad de dislocaciones se incrementa por la deformación causada; es por esto que se le conoce como endurecimiento por deformación [33]. Otro fenómeno que tiene lugar durante el proceso de doblado es que el material soporta tanto esfuerzos de compresión como

Operaciones de formado o

preformado

Doblado

Corte: Cizallado / Troquelado

Embutido

Operaciones de deformación volumétrica

Laminado

Extrusión

Forjado

39

de tensión; por encima del plano neutral, el material se tensiona y por debajo se comprime, tal y como se muestra en la ilustración 44. Adicionalmente, se tiene que todas las operaciones de doblado se llevan a cabo por medio de un juego de herramientas, conocidas como punzón y dado.

[35] Ilustración 44 Esquema Proceso de Doblado

Ya que el proceso de doblado se presta para lograr una gran diversidad de piezas, resulta adecuado dar a conocer las operaciones más usuales a través de la tabla 7.

Tabla 7 Operaciones de doblado

Tipo Características Esquema

Doblado entre formas

- Se utiliza un juego de punzón-dado con una forma particular.

- Se pueden obtener todo tipo de ángulos, ya sean obtusos o agudos.

- Utilizada para lotes pequeños.

- Formas típicas: V, canal, U.

[34] Ilustración 45 Doblado entre formas

Doblado de bordes

- Se utiliza un dado deslizante y una placa de presión.

- Se genera una fuerza en voladizo sobre la lámina.

- Se limita a ángulos menores o iguales a 90 grados.

- Utilizado con producciones altas.

[34] Ilustración 46 Doblado de bordes

Doblez

- El borde de la lámina se dobla sobre sí misma.

- Se requiere más de un paso de doblado.

- La finalidad es eliminar filos agudos o incrementar la rigidez.

[34] Ilustración 47 Doblez

Engargolado - Operación por medio de la

cual se ensamblan dos bordes a través del doblado [34]

Ilustración 48 Engargolado

40

El último punto a tratar son los parámetros que se deben tener en cuenta en el proceso de doblado para evitar defectos como deformaciones no deseadas, falta de precisión en los ángulos, el adelgazamiento de las paredes o aparición de grietas; estos parámetros son cuatro: el radio mínimo, el factor de retorno, la fuerza de doblado y la tolerancia de doblado.

Radio mínimo: es igual a la recta que aparece en la superficie exterior del doblado [36]. Por lo tanto el radio nunca puede ser menor al grosor de la lámina; esto sin generar afectación a la resistencia. Y tampoco se puede permitir que la deformación real del radio exterior supere la deformación de fractura. Se debe entender como radio externo aquel que en el que el material se encuentra a tensión.

Factor de retorno: da cuenta de la tendencia que tiene la lámina para recuperar su posición inicial; dicha tendencia tiene lugar por la componente de la deformación que es elástica. Este factor de retorno depende del material (su resistencia), el espesor de la lámina, del ángulo y del radio de doblado. Puede ser calculado a través de simulaciones o con expresiones y coeficientes estandarizados en la industria, de carácter experimental.

Fuerza de doblado: como tal, es la carga que se ejerce para efectuar el doblez. Puede ser calculada a través de la siguiente ecuación:

[37]

Ecuación 28 Fuerza de doblado Donde es el ancho del doblado en , es el espesor de la lámina en , es la longitud entre apoyos (abertura del dado) en , es la resistencia a la tracción en y es un factor que depende del tipo de proceso de doblado, en

el caso de doblado en V es de 1.33 y para el doblado de bordes es de 0.33.

Tolerancia del doblado: corresponde a la longitud del eje neutro y como tal permite cuantificar la longitud de la lámina necesaria para realizar el doblado. Puede ser calculado como se expresa a continuación.

[37]

Ecuación 29 Tolerancia de doblado Donde es la tolerancia de doblado en , es el espesor de la lámina en , es el ángulo del doblez en , es el radio del doblez en y es un factor adimensional; corresponde a si y si .

2.6.1 Modelo de cotización

Para el módulo de doblado de lámina fue necesario crear un modelo de costos, ya que con la revisión bibliográfica no fue posible identificar uno. Ahora bien, el modelo de costos propuesto se basa en el análisis del proceso productivo de la empresa Doblamos S.A., desarrollado por Ochoa [38] como parte de su proyecto de grado en Ingeniería Industrial de la Escuela de Ingeniería de Antioquia. Asimismo, se tienen en cuenta dos funciones teóricas para la estimación del tiempo de doblado. En relación al trabajo de Ochoa, A. vale la pena resaltar que el resultado que se obtuvo fue un cotizador para la empresa Doblamos S.A., empresa fundada desde 1984 que se dedica al diseño, fabricación y montaje de estructuras metálicas. Tal cotizador se sustenta en una base de datos de las piezas que se fabrican con mayor frecuencia en la empresa y por un estudio de

41

las variaciones en los tiempos de producción de las diferentes piezas, en función de las dimensiones, el peso y la secuencia de operaciones. Y por otra parte, de [12] las funciones teóricas para la estimación del tiempo son:

a)

∑( ( ))

Ecuación 30 Función a. Estimación de tiempo de doblado

Donde,

b)

( ) Ecuación 31 Función b. Estimación de tiempo de doblado

Donde,

Con base en lo anterior, se propone un modelo de costos para el proceso de doblado de lámina en el que se consideran los costos directos asociados a la manufactura, excluyendo el costo del material y de las herramientas. El primero se descarta por suponer que el cliente provee el material; y el segundo, por considerar que las herramientas tienen una vida útil demasiado alta. Así pues, la función de costos es:

(

)

Ecuación 32 Función de costo Doblado de lámina

Donde,

42

2.7 Módulo de Troquelado de lámina

En esta sección se dará a conocer el módulo de troquelado de lámina, otro de los procesos de conformado de metales. Ya que en la sección anterior se presentó la explicación general sobre el conformado, aquí únicamente se hará énfasis en proceso de interés, el troquelado de lámina. En consecuencia, se darán a conocer los tipos de operaciones, las variables de control del proceso y las herramientas. Posteriormente, se presentará el modelo de cotización utilizado, las bases de datos generadas y la forma en la cual se implementa la metodología de estimación de costos.

El proceso de troquelado, también conocido como punzonado o perforado, es una operación de conformado en frio a través de la cual se elimina material de una lámina sin la generación de viruta, es decir, una operación de corte; tal y como se evidencia en la ilustración 49 este proceso ocurre por la acción de cizalla que ejercen el punzón y la matriz sobre la lámina metálica.

[39] Ilustración 49 Esquema Proceso de Troquelado - Punzonado

Típicamente la acción de cizalla ocurre en 4 pasos, mientras el punzón se desplaza, en primer lugar se genera una deformación elástica de la lámina, tras esto se da la deformación plástica, luego la penetración y finalmente la fractura. Se aclara que cuando el punzón comprime y penetra en el material se inicia la formación de una superficie de corte, que al continuar con el desplazamiento del punzón desencadena en la fractura del material. Estos pasos se muestran esquemáticamente en la siguiente ilustración.

43

[40] Ilustración 50 Esquema acción de cizalla - Troquelado

Como resultado de la acción de cizalla se tiene una borde de corte con cuatro zonas características: Redondeado, Bruñido, Zona de fractura y Rebaba. La región denominada como Redondeado da cuenta de la compresión que ejerció el punzón y de la deformación plástica; debajo de esta región se encuentra la zona de bruñido, caracterizada por tener una superficie relativamente lisa y por ser generada por la acción de penetración del punzón. Posteriormente, se encuentra una superficie relativamente tosca, a esta se le denomina zona de fractura y finalmente, en el fondo del borde se encuentra un filo causado por la elongación del metal en el momento de la separación total del material, a esto se le denomina como rebaba. Cada una de las zonas mencionadas puede identificarse en la ilustración 51.

[41] Ilustración 51 Borde de corte - Troquelado

Pese a que ya se ha mencionado que las herramientas involucradas son el punzón y la matriz, vale la pena adicionar que la estructura típica de un dispositivo para el troquelado de lámina está conformado, básicamente, por cuatro elementos: A) Punzón B) Matriz C) Guía para carrera del punzón y D) Guía para el material; todos estos se muestran a continuación.

[39] Ilustración 52 Esquema dispositivo para troquelado

44

Ahora bien, para mayor claridad es necesario diferenciar dos grandes operaciones que se realizan conforme a lo antes mencionado: el punzonado y el perforado. Si bien, en ambas operaciones se corta la lámina metálica a lo largo de un contorno cerrado, en el punzonado el producto final corresponde al material que se separó de la lámina; mientras que en el perforado, el producto final es la lámina y el material cortado se desecha. Como se muestra en la siguiente ilustración.

[40] Ilustración 53 Punzonado Vs. Perforado

En cualquiera de estas operaciones, es necesario tomar en cuenta los siguientes parámetros:

Juego entre punzón y matriz: se tienen dos consideraciones: si se desea generar un corte de un perfil exterior, la medida de la matriz será la medida de la pieza; mientras que si se desea ejecutar un corte de un perfil interno, la medida del punzón será la medida del agujero. Ahora, la diferencia entre el punzón y la matriz se denomina como claro (ver ilustración 50). El claro, típicamente, se encuentra entre el 4 y el 8% del espesor de la lámina. Es importante especificar que de este parámetro depende la calidad del borde de corte y que además influye en la fuerza requerida para la acción de cizalla.

Ángulo de escape: define la conicidad del agujero en la matriz; este ángulo permite evacuar el material cortado. Este depende del material, el espesor a cortar y del número de cortes. Pueden generarse, típicamente de tres formas, las cuales se muestran en la siguiente ilustración.

[39] Ilustración 54 Ángulo de escape - Troquelado

Fuerza del corte: como su nombre lo indica, corresponde a la fuerza requerida para efectuar el corte. Esta puede ser calculada en función de las propiedades del material y a las características geométricas; la expresión matemática es la siguiente:

Ecuación 33 Fuerza de corte - Troquelado

Donde es el perímetro de la figura que se desea cortar en , es el espesor de la lámina en y es el esfuerzo de rotura del material por corte en ; puede aproximarse como 0.7 , con como la resistencia última a la tensión en

.

45

2.7.1 Modelo de cotización

El modelo de costos que utiliza el módulo de troquelado de lámina se limita a operaciones de perforado y únicamente toma en cuenta los costos directos asociados a la manufactura, excluyendo el costo del material; este se descarta al suponer que el cliente provee la lámina, en condiciones óptimas para el proceso. En consecuencia, el resultado obtenido no tiene incluidos los costos relacionados con impuestos, seguros, depreciación de equipos, arrendamiento y gastos administrativos. Se aclara que el modelo se basa en el planteamiento teórico para la estimación del tiempo de punzonado [12], el cual expresa que:

Ecuación 34 Función de Estimación del Tiempo de Punzonado

Donde,

( )

√

Ilustración 55 Ecuaciones complementarias - Tiempo de punzonado

Con:

Finalmente, la función de costos es:

Ecuación 35 Función de costos Troquelado de lámina

Donde,

Ilustración 56 Funciones complementarias Troquelado de lámina

Con:

46

54)

2.8 Módulo de Corte

En esta sección se dará a conocer el módulo de corte, este cubre tres de los procesos de mayor relevancia en el área de corte de lámina/placa metálica a través de procesos no mecánicos: Corte por Chorro de Agua, Corte por Plasma y Corte por Láser. En primer lugar, se exponen las características principales de cada uno de los procesos; tras esto se especifica el modelo de cotización utilizado y se presenta la estructura de las bases de datos.

2.8.1 Corte por Chorro de Agua

El corte por chorro de agua es un proceso de corte en frio (no térmico), en el que se utiliza la energía de un chorro de agua (con o sin material abrasivo) a alta presión, para impactar a altas velocidades la superficie que se desea cortar. En este proceso los fenómenos principales son la erosión y el mico maquinado; este último hace referencia a la remoción de material por el efecto del material abrasivo. Cabe señalar que al no utilizar el calor como principio de funcionamiento, se puede utilizar este proceso con una gran variedad de materiales, incluyendo materiales metálicos, poliméricos, cerámicos y hasta compuestos con estructura tipo sándwich. Así pues, la mayor ventaja de este proceso es la capacidad para cortar materiales sin generar afectaciones térmicas en las áreas circundantes al corte. Afectaciones que en el caso de los materiales metálicos desencadenan esfuerzos residuales y micro fisuras; y en el caso de materiales poliméricos o materiales compuestos pueden llegar hasta la degradación del material o a la carbonización de los bordes del corte. Otra de las ventajas es que la calidad del corte es alta, por lo que en general no se requieren operaciones de acabado. Aunque existen tres tipos de equipos para procesos de corte con chorro de agua, en general, el sistema puede ser representado como se muestra en la siguiente ilustración.

47

[41] Ilustración 57 Esquema sistema de corte por chorro de agua

En la siguiente tabla se especifican las características de los tipos de equipos, con el fin de que el lector se haga una idea de los órdenes de magnitud que se manejan en el proceso.

Tabla 8 Características de los equipos para corte por chorro de agua

Arrastre estándar

Arrastre estándar con alta presión

Arrastre directo

Funcionamiento

El agua y el abrasivo se mezclan en una cámara próxima a la boquilla.

Similar a los equipos de arrastre estándar, pero con mayores presiones.

La mezcla del abrasivo y el agua se realiza a través de la presurización de estos.

Diámetro de la boquilla (mm)

3 1 3

Presión típica (bar)

700 2000-4000 700

Ahora bien, las variables de control de mayor relevancia son la velocidad de desplazamiento, la presión del chorro, el tipo de abrasivo y su tasa de alimentación; todas estas variables son función del material que se desea cortar. Y son estas variables de las cuales depende que en la superficie de la cara del corte se evidencie con mayor o menor intensidad el fenómeno de estriación. Este fenómeno se muestra en la siguiente ilustración.

[42], [43] Ilustración 58 Superficie - Corte por chorro de agua

48

2.8.2 Corte por Láser

El corte por Láser es un proceso de corte térmico, en el que se utiliza la energía de un rayo láser para calentar el material hasta su fusión / evaporización / ruptura de los enlaces químicos. Por lo general, es necesario utilizar gas para remover el material fundido o el vapor. Ahora bien, para mayor claridad, la estructura general de los equipos para corte por láser se muestra en la siguiente ilustración; en esta se evidencia que se utilizan lentes para focalizar (concentrar) el rayo láser en un pequeño punto, de tal forma que la densidad de potencia

(intensidad) supere los .

[44] Ilustración 59 Esquema equipos de corte por laser

Existen dos tipos de procesos, en función de tipo de gas que se utilice, estos son:

Con uso de oxígeno (aire): este se utiliza, por lo general, cuando se desean cortar láminas con un gran espesor o cuando el material a cortar es reflectante; a razón de que cuando el oxígeno entra en contacto con el metal se genera una reacción exotérmica que adiciona energía al proceso.

Con gases inertes (nitrógeno, argón): con este tipo, la energía únicamente proviene del rayo láser, luego la función principal del gas es remover el material fundido.

Ahora bien, con este proceso es posible cortar materiales metálicos, algunos cerámicos y poliméricos, aunque es necesario indicar que se afecta térmicamente la zona circundante al corte; la intensidad de la afectación dependerá de los parámetros de corte. En cuanto al control del proceso, a continuación se enlistan los parámetros de corte típicos:

Tipo de onda: Continuo o por pulsos.

Potencia e Intensidad del Láser.

Distancia a la superficie de trabajo.

Modo del rayo láser: distribución de energía a lo largo de la sección transversal del rayo.

Longitud de onda del láser.

Tipo de gas y presión de este.

Velocidad. Por otra parte, es importante señalar que la calidad del corte de acuerdo a la norma DIN EN ISO 9013 (Cortes térmicos), se evalúa a través de dos parámetros: la tolerancia de perpendicularidad ( ) y la rugosidad de la superficie de corte ( ). En esta norma se definen estos parámetros como se indica en las siguientes ilustraciones.

49

[45] Ilustración 60 Tolerancia de rugosidad -DIN EN ISO 9013

[45] Ilustración 61 Rugosidad superficie de corte - DIN EN ISO 9013

Bajo esto parámetros, la norma propone dos sistemas de clasificación por rangos para la calidad del corte y adicionalmente, da a conocer una guía en torno al desempeño de los diferentes procesos de corte térmicos. En esta se establece que la calidad del corte por procesos láser permanece en rangos inferiores al 3, tanto para la tolerancia de perpendicularidad, como para la rugosidad de la superficie. Los rangos de clasificación y los resultados de la evaluación de los procesos se muestran en la siguiente ilustración.

[45] Ilustración 62 Calidad del corte - DIN EN ISO 9013

50

2.8.3 Corte por Plasma El corte por plasma es un proceso de corte térmico, en el cual se genera un arco plasma para fundir o evaporizar el material que se desea cortar. En general, los componentes principales involucrados en este proceso se muestran en la siguiente imagen.

[46] Ilustración 63 Componentes - Corte por plasma

Es preciso explicar que a través de un generador de alta frecuencia se genera un arco eléctrico entre el electrodo y la boquilla, este arco es el responsable de calentar el gas hasta ionizarlo, consiguiendo llevar al gas al estado de plasma; estado en el cual el gas se comporta como un conductor eléctrico. A este arco se le denomina como arco piloto; y es gracias a este y la conductividad eléctrica del plasma que se genera un arco (denominado como transferido) entre el electrodo y la pieza, lo cual permite continuar con la ionización del gas una vez que se apaga el generador de alta frecuencia. Por el cambio de sección de la boquilla, cuando el plasma pasa a través de esta, su velocidad aumenta considerablemente. Adicionalmente, cuando el plasma choca con la superficie de trabajo, los iones comienzan a recombinarse, por lo que se genera una reacción exotérmica. Gracias a la energía cinética del plasma y a la energía térmica liberada por la recombinación del gas, el material se funde y se elimina del área de corte. Todo lo anterior se puede resumir por medio del siguiente esquema.

[47] Ilustración 64 Esquema corte por plasma

51

En el arco plasma generado se distinguen dos zonas: la envolvente y la central. En la envolvente el gas se encuentra sin ionizar y permanece frio, lo cual permite refrigerar la boquilla y confinar el arco eléctrico. Y en la zona central permanece gas caliente y la columna de plasma, en este se alcanzan temperaturas de entre 10000 a 30000 °C. Por otra parte, es importante mencionar que existen diferentes tipos de corte por plasma, en función del porta-electrodos que utilice el equipo; puede ser convencional, con gas secundario, con inyección de agua o con inyección de oxígeno. A continuación se presenta una breve explicación de estos tipos.

Corte por plasma convencional: únicamente se utiliza un gas, por lo que este también debe cumplir la función de aislar la boquilla y confinar el arco.

Corte por plasma con gas secundario: en este se utilizan dos gases, uno de ellos será el que se ioniza y el otro cumplirá el papel de aislar y proteger la boquilla.

Corte por plasma con inyección de agua: en este tipo de equipos se utiliza un chorro de agua, que fluye alrededor del plasma, de tal forma que se logra ionizar parcialmente el hidrógeno y el oxígeno; esto último genera un aumento en la temperatura por la reacción de estos elementos con el material de corte, por lo que la velocidad de corte aumenta.

Corte por plasma con inyección de oxígeno: estos equipos inyectan un chorro de oxígeno al gas plasmático, lo cual permite aumentar la temperatura y por ende la velocidad de corte; no obstante se causa un mayor deterioro en la boquilla y en el electrodo.

Así pues, las variables a controlar, en general, son el gas plasmático, su caudal y su presión, la distancia a la pieza de trabajo, la velocidad de corte y la intensidad del arco piloto. En cuanto al gas, los más usados son el argón, el nitrógeno, el aire, el hidrógeno y combinaciones de estos. Y respecto a los caudales su orden de magnitud se encuentra alrededor de 15 L/min durante el arco pilo y de entre 30 a 60 L/min con el arco transferido.

2.8.4 Modelo de cotización

El módulo de corte hace uso del modelo de costo planteado por Berglund [6] en su trabajo de grado de maestría en ciencias de la Universidad Técnica de Luleä. Su propuesta responde a la solicitud de la compañía SSAB Oxelösund, productora de placas de acero estructural de alta resistencia y placas resistentes al desgaste, para generar una aplicación que les permita determinar la mejor técnica para cortar los diferentes aceros; así pues, parte de su investigación gira entorno a la estimación de costos de los procesos de corte por Láser, por Plasma, por Oxicorte y por Chorro de agua. Es importante resaltar que el modelo de costos se fundamenta en la revisión bibliográfica, una serie de experimentos y en entrevistas a clientes e ingenieros de la compañía SSAB Oxelösund. Antes de especificar las funciones de costos, es preciso mencionar que el modelo considera los costos asociados a materiales, a herramientas, al tiempo de programación y al conjunto máquina-herramienta. El modelo supone que se conocen las características del material, de tal forma que es posible establecer los parámetros de corte. Ahora bien, dado que todos los procesos hacen parte de las técnicas para cortar por haz, las funciones de costos guardan gran similitud; por lo que a continuación se dan a conocer las

52

variables que se utilizan en todas las funciones y algunas ecuaciones que aplican para todos los procesos.

- Variables genéricas:

53

- Ecuaciones generales:

((

) ) ⁄

Ilustración 65 Ecuaciones generales Corte

a) Función de costos Proceso de Corte por Chorro de Agua: Las variables adicionales son:

Las ecuaciones específicas son:

Ecuación 36 Función de costos Corte por Chorro de Agua

Donde,

Ilustración 66 Funciones complementarias Corte por Chorro de Agua

54

b) Función de costos Proceso de Corte por Láser: Las variables adicionales son:

Las ecuaciones específicas son:

Ecuación 37Función de costos Corte por Láser

Donde,

( ) ( )

Ilustración 67 Funciones complementarias Corte por Láser

c) Función de costos Proceso de Corte por Plasma: Las variables adicionales son:

Las ecuaciones específicas son:

Ecuación 38 Función de costos Corte por Plasma

55

( ) ( )

Ilustración 68 Funciones complementarias Corte por Plasma

2.9 Módulo de Pintura

En esta sección, se presentará un breve resumen de la normativa UNE – EN ISO 12994 con el fin de contextualizar e identificar las variables de interés en el proceso de pintura de lámina y estructura metálica. Tras esto se darán a conocer las razones por las cuales se decide no implementar el módulo de pintura en el cotizador. Para empezar, es preciso señalar que la norma UNE –EN ISO 12944, Protección de estructuras de acero frente a la corrosión mediante sistemas de pintura protectores, es la base para el análisis del proceso de pintura de lámina y estructura metálica ya que proporciona claridad técnica del proceso y cubre una de las necesidad de mayor relevancia en el área de recubrimientos para superficies metálicas, la protección contra la corrosión. Cabe aclarar que la norma no cubre sistemas de protección contra microorganismos, agentes químicos, acciones mecánicas ni protección contra el fuego. Esta norma cuenta con 8 partes: Introducción general, Clasificación de ambientes, Consideraciones sobre el diseño, Tipos y preparación de superficies, Sistemas de pintura protectores, Ensayos de comportamiento en laboratorio, Ejecución y supervisión de trabajos de pintado y Desarrollo de especificaciones para trabajos nuevos y mantenimiento. Para el propósito de esta sección, a continuación se hará énfasis en las secciones:

Parte 1- Introducción: adicional al resumen y el alcance de la norma, se presenta el concepto de durabilidad; concepto que se refiere a la vida útil, es decir al tiempo que se desea tener antes de realizar el primer mantenimiento de repintado. Así pues, bajo este concepto se realiza el programan de mantenimiento y se diseña el sistema de pintura. Para esto último, se presentan tres tipos de durabilidad: Baja (L) que comprende de 2 a 5 años, Media (M) de 5 a 15 años y Alta (H) para más de 15 años.

Parte 2 - Clasificación de ambientes: se clasifican los ambientes en 6 categorías de acuerdo al grado de corrosión atmosférica y en 3 para estructuras sumergidas o enterradas. En las siguientes imágenes se dan a conocer cada una de estas.

56

[48] Ilustración 69 Categorías de corrosividad atmosférica y ejemplos de ambientes típicos

[48] Ilustración 70 Categorías de corrosividad para el agua y el suelo

Parte 4 - Tipos y preparación de superficies: si bien se presentan 3 métodos de preparación: Limpieza con agua, disolventes y agentes químicos, Limpieza mecánica y Limpieza con llama, se establecen 8 grados de preparación de las superficies. Las características de cada uno de estos se muestran en la siguiente ilustración. Dónde:

1) Abreviaturas empleadas: Sa= Preparación de superficies por chorreado (ISO 8501-1), St=Limpieza con herrmienta manual o mecánica (ISO 8501-1), Fl=Limpieza con llama (ISO 8501-1), Be= Decapado ácido

2) A,B,C y D son condiciones iniciales para la superficies de acero no recubiertas.

4) Para el caso de superficies de acero con recubrimientos metálicos, pintados o no, pueden ser acordada una aplicación de grandes preparaciones normalizados, siempre que sean técnicamente viables en las condiciones reales.

5) Se considera que la cascarilla de laminanción se encuentra débilmente adherida sise puede eliminar si esfuerzo con una espátula o con un elemento cortante que la desprende.

6) Este grado de preparación de la superficie sólo se puede lograr y mantener en condiciones determinadas que no pueden ser logradas a pie de obra.

57

[48] Ilustración 71 Grados de preparación de las superficies

Parte 5 - Sistemas de pintura protectores: en esta se especifican las características que deben cumplir los sistemas de pintura de acuerdo a la categoría de corrosividad. Dentro de las características se especifica el tipo de pintura, el espesor, el contenido en sólidos, contenido en compuestos orgánicos volátiles, compatibilidad, imprimaciones, capas intermedias, acabados, tipos de curado y tipos de resina. Un ejemplo de sistema de pintado que satisface la norma y que tiene una durabilidad alta es:

[49] Ilustración 72 Ejemplo sistema de pintado

Teniendo en cuenta lo anterior, se entiende que la primera necesidad que debe cumplir el software en cuento a la planeación del proceso de pintado es determinar la categoría de corrosividad, tras esto definir el tipo de preparación de la superficie y finalmente diseñar el sistema de pintura con base en la materia prima y equipos disponibles. En cuanto al modelo de costos, este deberá incluir todas las materias primas y recursos para la preparación de la superficie, los insumos para el sistema de pintado, el costo del uso de equipos de aplicación, el

58

costo de la mano de obra y el costo de la inspección de calidad. Con esto en mente, el software requeriría que el usuario fuera capaz de describir el ambiente y la superficie; esta última en términos de apariencia, rugosidad superficial y área proyectada. Y de información de equipos, insumos disponibles, pautas para el diseño de sistemas de pintado y tiempos destinados a cada etapa del proceso en función del área proyectada, de la categoría de corrosión, de los equipos y de la durabilidad. Obtener toda esta información no resulta ser una tarea trivial, por dos razones:

1. Los tiempos asociados al proceso de manufactura son altamente variados, puesto que son función de la experiencia del operario, la superficie, la geometría de la pieza, los equipos, los insumos, el diseño del sistema de pintado e incluso del ambiente de trabajo.

2. Se observa una profunda dependencia de la experiencia en la pequeña industria del pintado de lámina y estructuras metálicas; en particular, no resulta usual el seguimiento de una normativa o un control de calidad que sobrepase la inspección visual.

Así pues, utilizar una metodología de costos generativa no es adecuado para el módulo de pintura de lámina y estructura metálica, en la medida en que existe un desconocimiento preciso del proceso de manufactura y además se debe considerar que la generación de bases de datos representa un reto significativo. En su lugar, se encuentran grandes ventajas en el planteamiento de la estimación de costos de tipo variante; se recuerda que a través de este se espera que piezas similares tengan un costo y tiempo de manufactura cercano. No obstante, por el alcance y los recursos destinados para este proyecto, resulta poco viable desarrollar e implementar el módulo de pintura de lámina y estructura metálica.

2.10 Seguridad

Los mecanismos de seguridad que se han implementado en el software tienen tres funciones, la primera es proteger la información confidencial de la empresa, información sobre la cual la metodología de estimación de costos se sustenta; la segunda es proteger al usuario, en la medida que pueda desconfigurar o alterar el software de manera perjudicial; y la última es proteger el software como tal, para evitar suplantaciones o manipulación inapropiadas. Si bien, se espera que los mecanismos utilizados sean suficientes, se recomienda ser cauteloso con la divulgación del software y con el manejo del mismo.

59

3 Capítulo III –Sintonización del software

En este capítulo se dará a conocer la forma en la cual el software se sintoniza, es decir, la forma en la cual el software se adecua a la empresa en la cual se implemente, teniendo en cuenta los recursos disponibles, el alcance del proceso productivo y su forma de realizar las tareas. Ahora bien, en términos generales la sintonización del software se realiza a través de dos mecanismos:

1. Actualización de las bases de datos: como se explica en la sección de la estructura del software y en la metodología de estimación de costos, cada módulo requiere de bases de datos para operar correctamente. Si bien, el software cuenta con la estructura de las bases de datos, es necesario que el administrador del mismo las complete y las actualice conforme a los recursos y alcance de la empresa.

2. Ajuste de los coeficientes adimensionales: dado que las funciones de costos, en su mayoría, son de carácter teóricos, se han incluido en estas coeficientes adimensionales para particularizar el modelo de costos, es decir, para adecuar las ecuaciones a la forma de operar de la empresa. Teniendo en cuenta esto, es preciso explicar que cada uno de los módulos del software cuenta con una función denominada como SINTONIZADOR, a través de la cual se ajustan los coeficientes adimensionales. Para esto el administrador del software deberá realizar una cotización y tras esto modificar los valores de los coeficientes hasta estar satisfecho con el costo estimado. Se espera que en la medida en la que se realice más veces esta labor, los coeficientes converjan a un valor y el nivel de precisión del software mejore.

3.1 Módulo de Mecanizado

En esta sección se darán a conocer los coeficientes adimensionales propuestos para la sintonización y la estructura de la base de datos del módulo de mecanizado.

3.1.1 Ajuste del modelo de cotización

Por la gran variabilidad de las piezas generadas por los procesos de torneado, fresado y taladrado se han planteado para cada operación 7 coeficientes adimensionales; adicionalmente, al momento de sintonizar, los coeficientes se almacenarán en las bases de datos en función de la exigencia de la operación; exigencia que se define con base en los requerimientos de precisión y acabado superficial. La idea de este planteamiento es reducir la dispersión de los coeficientes adimensionales, puesto que se espera que agrupando los rasgos, la forma en la cual se manufactura sea similar. La agrupación de los rasgos se da por el tipo de proceso que los genera y por los requerimientos de precisión y acabado superficial. De forma intuitiva se han definido tres niveles de exigencia: Alta, Media y Baja. En la tabla 9 se muestra la asociación de la precisión y el acabado superficial con estos niveles de exigencia. El lenguaje utilizado en la tabla corresponde al que maneja el software, así que para mayor claridad, su explicación se muestra en las tablas subsecuentes.

Tabla 9 Nivel de exigencia Operaciones de Mecanizado

Exigencia Acabado superficial – Precisión

ALTA FINO – FINO

MEDIA MEDIO – MEDIO

60

FINO – MEDIO FINO – GRUESA

FINO – MUY GRUESA MEDIO – FINO BAJO – FINO

BAJA

BAJO – GRUESA BAJO – MUY GRUESA

MEDIO – MUY GRUESA MEDIO – GRUESA

BAJO – MEDIO

Tabla 10 Clases de acabado - Módulo de Mecanizado

Denominación Grado Rugosidad

[ ]

Rugosidad

[ ]

BAJO

N12 50 1969

N11 25 984

N10 12.5 492

N9 6.3 248

N8 3.2 126

MEDIO N7 1.6 63

N6 0.8 31

FINO N5 0.4 16

N4 0.2 8

NO DISPONIBLE

N3 0.1 4

N2 0.05 2

N1 0.025 1

Tabla 11 Nivel de precisión - Módulo de Mecanizado

Clase

Desviación permitida, en mm, según tamaño nominal, en mm

0.5-3 3-6 6-30 30-

120

120-

400

400-

1000

1000-

2000

2000-

4000

4000-

8000

FINA ±0.05 ±0.05 ±0.1 ±0.15 ±0.2 ±0.3 ±0.5 ±0.8 -

MEDIA ±0.1 ±0.1 ±0.2 ±0.3 ±0.5 ±0.8 ±1.2 ±2 ±3

GRUESA ±0.15 ±0.2 ±0.5 ±0.8 ±1.2 ±2 ±3 ±4 ±5

MUY GRUESA - ±0.5 ±1 ±1.5 ±2 ±3 ±4 ±6 ±8

Ahora bien, los coeficientes adimensionales propuestos son:

Cabe aclarar que en los procesos de mecanizado se cuentan con dos etapas, una de desbaste y otra de acabado; en la primera se busca remover el material lo más rápido posible, mientras que en la segunda se busca cumplir con los requerimiento de precisión y de acabado superficial. Por la gran diferencia entre estas etapas, se proponen dos coeficientes de ajuste, uno para cada una. Así pues, el coeficiente

61

permite corregir la tasa de remoción en desbaste, es decir, que afecta el tiempo de mecanizado y en consecuencia el costo asociado a la mano de obra, a la energía y a la herramienta.

Este coeficiente tiene el mismo papel que el coeficiente , con la diferencia de que este afecta la tasa de remoción en la etapa de acabado.

Permite corregir el tiempo muerto, es decir, el tiempo en el que no se está mecanizando; incluye el tiempo de preparación, el tiempo de carga y descarga y el tiempo de cambio de la herramienta. Por ende, este coeficiente afecta el costo asociado a mano de obra.

El coeficiente permite tener en cuenta las condiciones reales en las que se realiza la operación, puesto que la potencia requerida para efectuar la operación es calculada de forma teórica y en consecuencia el costo asociado al consumo de energía puede variar del real.

Este coeficiente surge por la necesidad de corregir la vida de la herramienta en la operación de desbaste, ya que estimarla no es sencillo y adicionalmente, garantizar las condiciones óptimas de corte no resulta trivial.

De igual forma que el coeficiente , con la diferencia que este afecta la vida de la herramienta de acabado, en lugar de la desbaste.

Si bien, en una empresa el costo de la mano de obra suele ser constante, se decide incluir este coeficiente porque los trabajos no siempre los realiza el mismo operario y por supuesto, no todos los operarios devengan el mismo salario. Algunos trabajos requieren de un mayor nivel de experticia, por lo que el costo de la mano de obra aumenta.

De tal forma que las funciones de costos para el módulo de mecanizado son:

[ (

) (

(

))] ( ( ))

Ecuación 39 Función de costo Torneado con Coeficiente adimensionales

(

( )

)

(

)

Ecuación 40 Función de costo Fresado con Coeficiente adimensionales

(

( )

)

(

)

Ecuación 41 Función de costo Taladrado con Coeficiente adimensionales

62

La variable es equivalente a o a y a o , según corresponda al tipo de

operación, desbaste o acabado. Así pues, ajustando estos coeficientes adimensionales con base en la experiencia de la manufactura, el administrador del software podrá retroalimentar las funciones de costos. Para esto, el administrador tendrá como valores de referencia el tiempo invertido en remover el material, el tiempo muerto, la cantidad de herramientas (filos) consumidos, la energía consumida y el costo de la mano de obra. Además, se recomienda ajustar los coeficientes en el siguiente orden: , , , y . Esta recomendación busca que el administrador

altere los coeficientes adimensionales adecuados, puesto que algunos términos se ven afectados por varios coeficientes adimensionales y por ende el administrador podría obtener un mismo costo alterando el coeficiente incorrecto.

3.1.2 Bases de Datos La base de datos planteada para el módulo de mecanizado cuenta con 8 hojas de Excel, a continuación se describe con brevedad cada una de ellas.

1. Materiales: en esta hoja se encuentran la lista de los materiales que está dispuesta a recibir la empresa. Los materiales se encuentran divididos según la clasificación ISO. Adicionalmente, se encuentra la información referente a la fuerza específica de corte para los diferentes grupos de materiales.

2. Máquinas: en esta se debe consignar toda la información referente a las máquinas disponibles para mecanizar; por lo que se debe especificar el tipo de máquina, las dimensiones máximas de una pieza, la capacidad (potencia, velocidad del husillo), las geometrías de materia prima que se pueden sujetar y los rasgos que se pueden realizar.

3. Herramientas – Insertos: contiene toda la información referente a las herramientas tipo inserto; con sus respetivos parámetros de corte.

4. Herramientas – Brocas: contiene toda la información referente a las herramientas tipo broca; con sus respetivos parámetros de corte.

5. Herramientas – Fresas: contiene toda la información referente a las herramientas tipo fresas, sean o no con insertos; con sus respetivos parámetros de corte.

6. Tiempos: en esta hoja se deben especificar el tiempo promedio para la sujeción de las diferentes geometrías de materia prima, para cada máquina. Esto por la gran variedad de elementos de sujeción. Asimismo, se deben dar a conocer los tiempos promedio de programación, de cambio de herramienta y de carga y descarga.

7. Administrativo: se tienen dos propósitos para esta hoja: el primero es proveer información de precios, por ejemplo el precio de la mano de obra; y el de segundo es registrar la nomenclatura manejada por el software y especificar el alcance en cuanto a operaciones de roscado.

8. Sintonizador: almacena toda la información referente a los coeficientes de ajuste; se guarda la fecha de sintonización y los respectivos coeficientes, de acuerdo a la operación y al nivel de exigencia.

3.1.3 Resultados

Con el fin de determinar la confiabilidad del modelo propuesto, se implementó el módulo de mecanizado en el laboratorio de manufactura de la Universidad de los Andes; contexto que si bien es académico, permite comparar los tiempos asociados a la manufactura. Para esto se

63

recolectó toda la información necesaria para la base de datos, incluyendo la relacionada con las herramientas y los tiempos; lo cual implica mediciones experimentales, revisión de catálogos e inventarios y entrevistas a los operarios. Cuando la base de datos se encontraba completa, se procedió a realizar el siguiente procedimiento:

1. Se realizó la cotización de 6 piezas tipo eje con el mismo nivel de exigencia, esto con todos los coeficientes adimensionales iguales a 1.

2. Se manufacturaron las 6 piezas; a 4 de ellas se les registró el tiempo invertido en las diferentes actividades.

3. Se realizó el proceso de sintonización con cada una de las 4 piezas; una vez que se sintonizaba el software con una pieza, se cotizaban todas las piezas con los nuevos coeficientes adimensionales.

En resumen, los resultados se presentan en las gráficas 1 y 2. En la primera se muestra la variación del tiempo estimado entre la primera cotización (sin ninguna sintonización) y la última cotización (tras 4 sintonizaciones). Y en la segunda se observa la forma en la cual evoluciona el error en la estimación del tiempo, es decir, el error entre el valor real del tiempo de manufactura y el tiempo estimado con cada una de las sintonizaciones.

Gráfica 1 Variación total del tiempo estimado – Prueba con Módulo de Mecanizado

Gráfica 2 Evolución de la estimación del tiempo – Prueba con Módulo de Mecanizado

0

50

100

150

200

250

300

350

0 1 2 3 4 5 6 7

Var

iaci

ón

To

tal [

%]

Pieza

0

5

10

15

20

25

30

0 1 2 3 4

Erro

r [

%]

Sintonización

Pieza 1

Pieza 2

Pieza 3

Pieza 4

64

Ahora bien, la significante variación entre los resultados de la primera y la última cotización para cada pieza es un indicativo de que las suposiciones del modelo de costos son bastante fuertes; en particular, se cree que el no considerar el tiempo invertido en el desplazamiento en vacío de la máquina tiene una alta influencia en los resultados obtenidos. No obstante, el comportamiento del error absoluto permite corroborar que los coeficientes adimensionales son una solución factible para adecuar una función de costos teórica a la forma particular de operar de una empresa y por supuesto, para tomar en cuenta algunos factores que están fuera del alcance de la función de costos propuesta. Estos coeficientes adimensionales efectivamente retroalimentan al cotizador. En cuanto a los valores de los coeficientes adimensionales obtenidos con las cuatro sintonizaciones, si bien no es posible darlos a conocer por la confidencialidad de la información, se puede afirmar que el coeficiente es el que tiene una mayor influencia en la función de costos; con este resultado se refleja que la dimensión de los lotes de producción es baja.

3.2 Módulo de Fundición En este apartado se darán a conocer los coeficientes adimensionales propuestos para la sintonización y la estructura de la base de datos del módulo de fundición.

3.2.1 Ajuste del modelo de cotización Los coeficientes adimensionales propuestos buscan controlar las variables claves en el proceso de fundición; estos son:

: Este coeficiente afecta el costo asociado a los costos de materiales indirectos, es decir las arenas. A través de este se espera ajustar las diferencias con la realidad en cuanto al cálculo de la cantidad de arena por cada tipo.

: Permite ajustar el costo de mantenimiento del horno; se plantea para prever irregularidades con el funcionamiento del horno.

: Este coeficiente afecta el costo de los consumibles para hacer uso del horno, a través de este se ajusta el costo de los combustibles (ACPM y gas propano). Es importante señalar que el coeficiente está directamente asociado con un material, puesto que el requerimiento energético para generar las diferentes aleaciones no es el mismo.

: Por medio de este coeficiente se ajusta el costo del material utilizado, puesto que se espera diferencias entre la cantidad de material utilizado con el calculado. Este coeficiente está en función del material.

:

65

Permite ajustar el tiempo utilizado para la manufactura, es decir, el tiempo total requerido para la obtención de la pieza; en consecuencia, este coeficiente afecta el costo de mano de obra. Y se plantea como función del material, por la gran dependencia del tiempo de enfriamiento.

: A través de este se afecta el costo asociado al consumo de energía eléctrica por parte de los equipos utilizados en los procesos de acabado; por lo tanto se asocian al material.

: Pese a que el costo del acabado superficial, típicamente, permanece invariante; se incluye este coeficiente para permitir la inclusión de dificultades en la última etapa el proceso.

Teniendo en cuenta el significado de los coeficientes adimensionales, la inclusión de estos se realiza de acuerdo a las expresiones en la siguiente ilustración.

Ilustración 73 Modelo de costos Fundición con Coeficientes adimensionales

3.2.2 Bases de Datos

La base de datos de este módulo está conformada por 9 hojas de Excel, cada una de ellas permite almacenar información referente a recursos y al proceso productivo. A continuación se especifica la finalidad de cada una de ellas:

1. Materiales: esta hoja contiene todas las propiedades físicas de los materiales necesarias para la estimación del costo del proceso; adicionalmente, es a través de esta que se limitan los materiales que la empresa maneja.

2. Máquinas: por medio de esta, la empresa especifica los equipos disponibles, juntos con sus características; se debe proveer el tipo de máquina (horno, mezcladora, esmeril, Granalladora, etc.), la potencia nominal y el costo del mantenimiento.

66

3. Arena: cumple dos funciones: la primera es describir la composición de las arenas, lo cual permitirá conocer el costo de cada tipo de arena; y la segunda es conocer el tiempo de preparación y alistamiento de las mismas.

4. Tiempos: a través de una lista de actividades, la empresa específica el tiempo promedio dedicado a cada tarea dentro del proceso productivo modelo; los valores serán un inicio para determinar el tiempo muerto del proceso en función de la cantidad de material a fundir.

5. Acabado: en función del material, se tiene el tiempo destinado para lograr los diferentes tipos de acabado.

6. Administrativos: contiene la información relacionada con los precios de los insumos, de los tipos de acabado superficial y de la mano de obra.

7. S1: almacena los coeficientes de ajuste asociados con el costo de la arena y el costo del mantenimiento.

8. S2: almacena los coeficientes de ajuste asociados al costo del horno, al costo del material, al tiempo de manufactura y al costo de la energía eléctrica consumida; en función del material.

9. S3: almacena los coeficientes de ajuste asociados al costo del acabado superficial, por supuesto en función del tipo de acabado.

3.3 Módulo de Prototipado Rápido A continuación se presenta la forma en la cual se realiza la sintonización del módulo de prototipado rápido.

3.3.1 Ajuste del Modelo de Cotización

Por la alta confiabilidad que proveen las tecnologías involucradas y ya que todas las variables calculadas giran en torno al equipo y su software de procesamiento, la sintonización del módulo de prototipado se realiza a través de un único coeficiente adimensional; coeficiente que se plantea como función del equipo. Así pues, este coeficiente mantiene una relación directamente proporcional con el costo estimado y podría interpretarse como un factor para tener en cuenta los imprevistos.

3.3.2 Bases de Datos

La base de datos propuesta cuenta con cinco hojas de Excel, con estas se provee al módulo con la información de los recursos disponibles, el alcance del proceso productivo, los precios de los insumos y el mantenimiento de los equipos. De forma puntual,

1. Máquinas: contiene la información de los equipos disponibles, con sus respectivas características técnicas; iniciando por el tipo de tecnología empleada y continuando con las propiedades de las piezas obtenidas (aspecto, dimensiones, etc.).

2. Materiales: en esta hoja se especifica los materiales que maneja cada uno de los equipos, con sus respectivos costos.

3. Mantenimiento: a través de esta se especifican los costos y tiempos destinados al mantenimiento de los equipos, al igual que las horas de operación mensual promedio.

4. Administrativo: por medio de esta, el administrador conoce la nomenclatura utilizada por el software; y especifica el precio de la mano de obre y la energía eléctrica.

5. Sintonización: almacena los valores del coeficiente de sintonización, en función de los equipos.

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3.4 Módulo de Doblado de lámina

A través de esta sección se dará a conocer el modelo de cotización con la inclusión de coeficientes adimensionales y la estructura de la base de datos del módulo de doblado de lámina.

3.4.1 Ajuste del Modelo de Cotización Para ajustar el modelo de cotización se plantean 3 coeficientes adimensionales, estos se proponen pensando en la incertidumbre asociada a las variables. Estos son:

: Este coeficiente afecta el costo de la mano de obra y permite ajustar el tiempo invertido en el alistamiento de los equipos; por lo tanto depende del equipo.

: A través de este se busca corregir las diferencias entre los tiempos calculados y los tiempos reales, concernientes a las actividades de desarrollo, trazado e inspección de calidad. Este coeficiente afecta el costo de la mano de obra y se asocia al tipo de forma de la pieza (Canal, Ángulo, Omega, Perfil Z, Perfil C y Marco).

: Con este coeficiente se ajusta el tiempo real de doblado; se busca tener en cuenta la dificultad causada por la longitud del doblez y por la manipulación de los equipos. Así pues, este afecta el costo el costo de la mano de obra y el costo de energía eléctrica.

La función de costos con los coeficientes adimensionales es la siguiente:

(

(

) )

Ecuación 42 Función de costos Doblado de Lámina con Coeficientes adimensionales

3.4.2 Bases de Datos

La base de datos del módulo de doblado de lámina está conformada por 8 hojas de Excel, a continuación se presenta el propósito de cada una de ellas.

1. Máquinas: esta hoja busca almacenar la información de los equipos disponibles, con sus respectivas características, entre las más relevantes se encuentran las dimensiones de las láminas admitidas y la potencia consumida.

2. Materiales: a través de esta se especifican los materiales y los calibres con los que la empresa está dispuesta a trabajar.

3. Dimensiones: contiene las dimensiones máximas permitidas para los diferentes tipos de formas típicas; esta hoja permite detectar si el usuario propone un trabajo especial.

4. Tiempos: guarda los tiempos de trazado y de doblado, según el material, el calibre y la longitud del doblez.

5. Administrativo: esta hoja tiene dos funciones: dar a conocer la nomenclatura utilizada por el software y especificar el precio de la mano de obra, el tiempo de desarrollo y el tiempo de inspección de calidad, en función de la forma de la pieza.

6. S1: guarda los valores de sintonización del coeficiente de ajuste para el tiempo de alistamiento de la máquina; se almacenan en función del equipo.

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7. S2: guarda los valores de sintonización del coeficiente de ajuste para el tiempo de planeación y revisión; se almacenan en función de la forma (Canal, Ángulo, Omega, Perfil Z, Perfil C, Marco).

8. S3: almacena los valores para el coeficiente de ajuste del tiempo de doblado, en función de la máquina y de la longitud del doblez.

3.5 Módulo de Troquelado de lámina El módulo de troquelado utiliza cuatro coeficientes adimensionales y 9 hojas de Excel para permitir que el modelo de costos se contextualice conforme a cada empresa; a continuación se hace énfasis en los coeficientes y la base de datos.

3.5.1 Ajuste del Modelo de Cotización Los coeficientes adimensionales que se plantean para el modelo de costos del módulo de troquelado de lámina son los siguientes:

Permite ajustar el tiempo invertido en el alistamiento de la máquina, por lo tanto este coeficiente depende del equipo. A través de este se afecta el costo de la mano de obra.

A través de este se controla el tiempo utilizado en la perforación, como tal se afecta el costo asociado al consumo de energía, el costo de la herramienta y el costo de mano de obra. El coeficiente se plantea como función de material y del espesor, se deprecia la influencia de la máquina porque se espera que las condiciones para el perforado se mantengan constantes para todos los equipos.

:

Este coeficiente afecta el costo de la energía y permite tomar en cuenta las diferencias ente la potencia calculada y la real; las cuales distan en la medida en la que las condiciones para la cizalla se alejen de las óptimas. De igual forma que el coeficiente , este depende del material y del calibre.

: Con este coeficiente se ajusta el tiempo de desplazamiento, el cual no solo depende de la forma en la cual se encuentran distribuidas las perforaciones, sino también de la máquina en la cual se realiza la operación. Así pues, con este se afecta el costo de mano de obra, el costo de la energía y costo de la mano de obra.

Con la inclusión de los coeficientes, la función de costos para el proceso de troquelado se calcula con las expresiones mostradas en la ilustración 74.

( )

Ilustración 74 Función de costo Troquelado de lámina con Coeficientes adimensionales

69

3.5.2 Bases de Datos

La base de datos implementada tiene 9 hojas, cuatro de ellas dedicadas a los coeficientes adimensionales, las demás contienen información de los recursos y del proceso productivo. En detalle se tiene que:

1. Máquinas: almacena la información de los equipos disponibles, con sus respectivas características. A través de esta se definen las materias primas que acepta cada equipo y la capacidad de cada uno.

2. Materiales: en esta se especifican los materiales y los calibres con los que la empresa está dispuesta a trabajar.

3. Herramientas: contiene las características de las herramientas disponibles, las cuales se dividen por la geometría.

4. Parámetros de acabado: en primer lugar, se especifican los tipos de acabados en la superficie de corte que se pueden obtener; tras esto se definen los parámetros de corte en función del material.

5. Administrativo: en esta hoja se registra la información de los precios de la mano de obra, de la energía y de reciclar el material que se corta.

6. S1: guarda los valores de sintonización del coeficiente de ajuste para el tiempo de alistamiento de la máquina; se almacenan en función del equipo.

7. S2: guarda los valores de sintonización del coeficiente de ajuste para el tiempo de perforado; se almacenan en función del material y del calibre.

8. S3: almacena los valores para el coeficiente de ajuste para la potencia consumida, en función del material y del calibre.

9. S4: en esta se registran los valores del coeficiente de ajuste para el tiempo de desplazamiento de la herramienta; esto se hace en función del equipo y de la forma de distribuir las perforaciones (perforación simple, patrón, trayectoria lineal, trayectoria curva).

3.6 Módulo de Corte

Esta sección está dedicada a explicar la forma en la cual es posible implementar el módulo de corte a una empresa, esto se realiza a través de la sintonización y de registrar la información de los recursos y del proceso productivo en la base de datos propuesta para el módulo.

3.6.1 Ajuste del Modelo de Cotización En cuanto a la sintonización, se plantean 3 coeficientes adimensionales para ajustar el modelo de costos, sin importar la tecnología utilizada. Estos coeficientes son:

Permite ajustar el tiempo de corte; por lo que se afectan todos los costos asociados a insumos. Ya que el tiempo de corte depende de los parámetros de corte, este coeficiente es función de la máquina y del material.

Con este se controla el consumo de energía por parte del equipo; este permite tener en cuenta las dificultades con la generación del corte. Se considera en función de la máquina y del material.

70

: A través de este coeficiente se ajusta el costo asociado al uso de la máquina; se incluye este coeficiente porque el costo de usar la máquina depende de las horas de uso de equipo y de tasas de interés y depreciación, las cuales pueden fluctuar.

Con lo anterior en mente, las funciones de costos se pueden adaptar por medio de las expresiones que se muestran en la ilustración 71.

((

) ) ⁄

Ilustración 75 Función de costos Corte con Coeficientes adimensionales

3.6.2 Bases de Datos

El módulo de corte funciona con base en 9 hojas de datos de Excel, el contenido de cada una se especifica a continuación.

1. Máquinas: almacena la información de los equipos disponibles, con sus respectivas características. Las principales son el tipo de tecnología que utiliza y la capacidad, esta última en cuanto a dimensiones de la lámina y la precisión del corte.

2. Materiales: en esta se especifican los materiales y los calibres con los que la empresa está dispuesta a trabajar, con cada uno de los procesos (corte por chorro de agua, corte por plasma y corte por láser).

3. Parámetros de corte Láser: esta hoja contiene toda la información de los parámetros de corte recomendados para cada equipo para corte con láser, en función del material y el espesor.

4. Parámetros de corte Plasma: esta hoja contiene toda la información de los parámetros de corte recomendados para cada equipo para corte por plasma, en función del material y el espesor.

5. Parámetros de corte por Chorro de agua: esta hoja contiene toda la información de los parámetros de corte recomendados para cada equipo para corte por chorro de agua, en función del material y el espesor.

6. Administrativo: en esta hoja se registra la información de los precios de la mano de obra, de la energía y de los insumos; para cada una de las tecnologías.

7. S1: guarda los valores de sintonización del coeficiente de ajuste para el tiempo de corte; se almacenan en función del equipo y del material.

8. S2: guarda los valores de sintonización del coeficiente de ajuste para el consumo de energía; se almacenan en función del equipo y del material.

9. S3: almacena los valores para el coeficiente de ajuste para el costo de usar un equipo; en consecuencia, se registran en función de la máquina.

71

4 Capítulo IV – Análisis de los Coeficientes Adimensionales Ahora que se conocen los coeficientes adimensionales que permiten ajustar y retroalimentar las funciones de costos de cada uno de los módulos, resulta adecuado presentar un análisis detallado de estos. En general, el análisis se plantea en torno a las siguientes preguntas: ¿Cuál es el comportamiento del costo en función de cada uno de los coeficientes? y ¿Qué se puede decir de dos empresas que utilizan la misma base de datos, si se conocen sus coeficientes adimensionales?. Sin embargo, el análisis de los coeficientes adimensionales no deberá limitarse a estas preguntas, puesto que al comparar la forma en la cual varía el costo en función de cada coeficiente adimensional, el administrador del software podrá identificar las variables de mayor relevancia dentro de su proceso productivo; en consecuencia podría utilizar estos resultados para diseñar estrategias entorno a la reducción de costos. Para empezar, si al implementar cualquier módulo obtenemos que todos los coeficientes son iguales a 1, entonces nos encontraríamos frente a una empresa en la que se lleva a cabo un proceso productivo idéntico al considerado por la función de costos y más aún, frente a una empresa con un conocimiento detallado y veraz sobre todos sus recursos y sobre todas las actividades de su línea de producción. Adicionalmente, se podría pensar que la variabilidad de las piezas manufacturadas en esta empresa es baja, ya que si el cotizador responde adecuadamente con cualquier pieza cotizada, es porque la manufactura de las piezas es similar. Y como es de esperar, todo lo contrario se podrá inferir cuando los coeficientes disten en gran medida de 1. Sin embargo, esto no quiere decir que lo deseable sea tener todos los coeficientes adimensionales iguales a 1, ya que las funciones de costos se han planteado con base en los procesos estándar de manufactura y por tanto no se toman en cuenta estrategias o mecanismos para la reducción de costos; algunos procesos con mayor eficiencia podrían verse reflejados a través de coeficientes adimensionales distintos de 1. Para tener una mayor comprensión, a continuación se da a conocer el análisis con cada módulo, para el caso en el que los coeficientes son diferentes de 1.

4.1 Módulo de Mecanizado En primer lugar, veamos cada uno de los casos en los que únicamente cambia uno de los coeficientes adimensionales, sin importar la operación de mecanizado: - Si , la función de costos sería de la forma:

Donde representa el costo de la herramienta y el de la mano de obra asociado al tiempo de mecanizado y al del cambio de la herramienta; y el costo de la energía y la mano de obra asociada al tiempo muerto. En este caso el costo se comporta como una función racional; luego, cuando tiende a 0

el costo tenderá a infinito y cuando tiende a infinito el costo tenderá a . Cabe resaltar

que el costo se verá afectado considerablemente mientras tenga un orden de magnitud mayor o igual a .

72

- Si , la función de costos sería de la forma:

Donde representa el costo de la mano de obra asociada al tiempo muerto y los demás costos. En este caso el costo se comporta como una función lineal creciente. Y tendremos cambios significativos en el costo en la medida en la que el concepto de la mano de obra asociada al tiempo muerto sea significativo frente a los demás costos.

- Si , la función de costos sería de la forma:

Donde representa el costo de la energía consumida y los demás costos. Al igual que con , el costo se comporta como una función lineal creciente y únicamente se tendrán cambios relevantes en el costo mientras el costo de la energía sea significativo en relación a los otros costos.

- Si , la función de costos sería de la forma:

Donde representa el costo de la energía y el de la mano de obra asociado al tiempo de mecanizado y al del tiempo muerto; y el costo de la herramienta y el de la mano de obra por cambiar la herramienta. Al igual que con , el costo se comporta como una función racional y se verá

afectado considerablemente cuando tenga un orden de magnitud igual o mayor a .

- Si , la función de costos sería de la forma:

Donde y representa el costo de la mano de obra, el primero asociado a tiempo de mecanizado y cambio de la herramienta y el segundo asociado al tiempo muerto; y el costo de la herramienta y la energía.

En este caso, el costo es lineal creciente y su variación será alta cuando el costo de la mano de obra sea representativo frente al costo de la energía y al costo de la herramienta.

Con lo anterior, se deja ver que si sintonizamos el módulo de mecanizado en dos empresas con una misma pieza y modificamos un solo coeficiente en la misma forma, no necesariamente obtendremos una variación igual en el costo de la pieza; ya que la variación depende de la distribución porcentual del costo entre los diferentes conceptos: mano de obra, herramienta y energía. Otro escenario es aquel en el que se modifican más de un coeficiente adimensional, bajo esta circunstancia el costo podría no variar, puesto que algunos coeficientes afectan un mismo término en la función de costos y podrían tener efectos opuestos. Más allá de esto, resulta precipitado analizar la variación del costo sin tener un caso en particular, ya que al estimar el costo de forma generativa algunos conceptos pueden ser de más relevancia que otros y por ende la influencia de algunos coeficientes adimensionales podría ser más significativa.

73

Dicho esto, es posible pasar a comparar dos empresas a través de sus coeficientes adimensionales. En primera instancia, si los coeficientes de una de ellas distan en mayor medida del número 1, se podrían plantear tres hipótesis:

- El proceso productivo de esta empresa dista en mayor medida del considerado por la función de costos; es decir, esta empresa realiza otras actividades en su línea de producción o utiliza mecanismos diferentes.

- Esta empresa tiene un mayor desconocimiento de sus recursos y de sus actividades. - El proceso productivo de esta empresa varía significativamente.

Ahora, si las dos empresas manejaran la misma base de datos, al comparar cada uno de los coeficientes se podría inferir que:

1. La empresa con el mayor es aquella en la que se remueve el material con mayor

efectividad; es decir, que en esta el tiempo invertido en remover el material es menor.

2. La empresa con el menor es aquella en la que se invierte un menor tiempo en las actividades en las que no remueve material. Podría indicar que sus operarios son más ágiles o que la distribución de las herramientas y los equipos es más adecuada, en la medida que minimiza el desplazamiento de los operarios, o que se realiza un menor número de actividades para obtener el mismo resultado.

3. La empresa con el menor es aquella en la que se utiliza una política más efectiva para el consumo de energía, lo cual podría hasta implicar un mejor mantenimiento de los equipos.

4. La empresa con un mayor es aquella en la que se presta mayor atención al cuidado de las herramientas, luego esta empresa debe ser en la que se garantizan mejores condiciones de corte; podría ser a través del uso del refrigerante adecuado o con el operar bajo los parámetros de corte óptimos.

5. La empresa con un mayor es aquella en la cual las condiciones laborales son más favorables para sus empleados; en general, se esperaría que la mano de obra sea más calificada, pero no se puede constatar con el valor de este coeficiente.

4.2 Módulo de Fundición

Los coeficientes adimensionales para el módulo de fundición se han planteado de tal forma que al variar solo uno de ellos se obtiene una función lineal creciente para el costo. No obstante, es importante tener presente que la variación en el costo no será igual cuando se modifique en igual magnitud cada coeficiente, pues dependerá de la distribución de los costos; es decir de qué tan representativo es el término asociado al coeficiente modificado frente a los demás componentes del costo. Por esta misma razón, al alterar varios coeficientes adimensionales el costo podría incluso hasta no verse afectado. Por otra parte, si se comparan los coeficientes adimensionales de dos empresas en las que se maneja la misma base de datos, es posible inferir que:

74

1. La empresa con el mayor es aquella en la que se tiene un precio base para las arenas mayor, sin implicar esto que sean de mejor calidad; o que en esta empresa se consume una mayor cantidad de arena para un mismo resultado, luego sería un indicativo de un fallo en el proceso productivo.

2. La empresa con el menor es aquella en la que el horno requiere de menor

mantenimiento, es decir, que en esta empresa el horno presenta menores imprevistos en cuanto a su funcionamiento.

3. La empresa con el mayor es aquella en la que por su proceso productivo requieren

de mayor consumo de combustibles para la transformación de la materia prima. Esto daría cuenta de técnicas menos efectivas para la manipulación del horno.

4. La empresa con un mayor es aquella en la que el consumo de material es mayor, luego podría entenderse que hay una falencia en el proceso de fusión o que la calidad de la materia prima es menor a la esperada.

5. La empresa con un menor es aquella en la cual el tiempo invertido en la

manufactura es menor, lo cual implica una ventaja competitiva. Podría entenderse que el proceso productivo es más efectivo.

6. La empresa con el menor es aquella en la que los procesos de acabado se realizan con un menor consumo de energía eléctrica, lo cual deja entre ver un mayor conocimiento técnico y una mejor política para el consumo de energía eléctrica.

7. La empresa con el mayor es aquella en la cual se tienen mayores dificultades para generar un acabado superficial, lo cual podría reflejar una baja calidad de la fundición o una técnica inadecuada para el tratamiento superficial.

Por último, es importante señalar que el administrador del software al comparar los coeficientes adimensionales podría detectar los materiales y los tipos de acabado superficial con los cuales se tiene una mayor dificultad, puesto que algunos de los coeficientes depende de estas variables.

4.3 Módulo de Prototipado Rápido

El módulo de prototipado rápido únicamente cuenta con un coeficiente adimensional, el cual se plantea en función del equipo utilizado en el proceso de manufactura y busca ajustar cualquier imprevisto. En consecuencia, al comparar los coeficientes se estarían contrastando directamente la confiabilidad de los equipos y el conocimiento técnico. En el caso de que se comparen dos empresas con las mismas bases de datos, aquella con el coeficiente más alto será en la que se realiza un proceso productivo menos efectivo; con esto se podrían plantear dos hipótesis, la primera entorno a falencias a nivel conceptual del proceso y la segunda en relación a un inadecuado mantenimiento de los equipos.

75

4.4 Módulo de Doblado

La sintonización del módulo de doblado se realiza a través de 3 coeficientes adimensionales y si bien todos están orientados a la corrección del tiempo de manufactura, su influencia en la función de costos no es igual. En consecuencia, a continuación se analiza la variación del costo cuando cada coeficiente toma un valor diferente de 1. - Si o , la función de costos sería de la forma:

Donde representa, en el primer caso, el costo la mano de obra asociada al tiempo de alistamiento de los equipos; y en el segundo caso, el costo la mano de obra asociada al tiempo de desarrollo, trazado e inspección de calidad. Y desde luego, representa los demás costos. En esta circunstancia, el costo se comporta como una función lineal creciente; luego, cuando tiende a 0 el costo tenderá a y cuando tiende a infinito el costo tenderá a infinito. Cabe resaltar que el costo se verá afectado considerablemente mientras sea representativo frente a .

- Si , la función de costos sería de la forma:

Donde representa el costo de la mano de obra asociada al tiempo de alistamiento de equipos, de desarrollo, de trazado e inspección de calidad; el costo de la mano de obra asociada al tiempo de doblado; y el costo de la energía consumida. Si bien, al igual que en el anterior caso, el costo se comporta como una función lineal creciente, con el coeficiente se ejerce un doble efecto sobre el costo; así pues, la variación dependerá de qué tan representativa es la magnitud de y frente a la de .

Con lo anterior en mente, el administrador del software al replicar cada caso podría identificar los tiempos de mayor relevancia dentro de su función de costos. Adicionalmente, se deja en claro que el costo podría hasta llegar a no variar, en el caso en el que más de un coeficiente tome un valor diferente de 1; todo dependerá del proceso productivo de la empresa, es decir, de la relevancia de cada componente del costo. Otro resultado del análisis que el administrador podría realizar sobre sus coeficientes es el tipo de trabajo en los cuales tiene mayor dificultad y los equipos que le generan mayores complicaciones, esto como consecuencia de que los coeficientes están planteados, precisamente, en función del tipo de forma y del equipo. Por otro lado, al comparar los coeficientes adimensionales de dos empresas que manejan la misma base de datos es posible plantear las siguientes hipótesis:

1. La empresa con el mayor es aquella en la que el alistamiento de los equipos se realiza con menos agilidad, ya sea por la habilidad y experiencia de sus operarios, o por la disponibilidad de las herramientas o incluso por la disposición física de las herramientas y los equipos.

2. La empresa con el menor es aquella en las actividades de planeación, desarrollo,

trazado e inspección de calidad se llevan a cabo con mayor rapidez, lo cual refleja que el proceso de manufactura es más efectivo; se podría inferir que esta empresa cuenta

76

con herramientas que facilitan dichas tareas y hasta que la experiencia de sus operarios es mayor.

3. La empresa con un mayor es aquella en la que se invierte un mayor tiempo en la actividad de doblado; esto refleja una desventaja competitiva frente a la otra empresa, pues se invierten más recursos para obtener un mismo resultado. Esto podría involucrar un menor conocimiento técnico, un inadecuado uso de los equipos, inexperiencia del operario o falta de herramientas para la manipulación de la materia prima durante el doblado.

4.5 Módulo de Troquelado de lámina

La función de costos del módulo de troquelado de lámina se ajusta a través de 4 coeficientes adimensionales, todos se han planteado de tal forma que al variar solo uno de ellos el costo se comporte como una función lineal creciente; no obstante, la variación del costo no será igual para todos los coeficientes. Dado esto, el administrador del software al hacer variar individualmente cada uno de ellos podrá:

1. Identificar la importancia dentro de su proceso productivo del tiempo de alistamiento de los equipos y además reconocerá los equipos que facilitan la operación de alistamiento, esto con el coeficiente adimensional .

2. Dimensionar las implicaciones sobre el costo de realizar la operación de cizalla bajo condiciones distantes a las teóricas, esto con el coeficiente adimensional .

3. Reconocer la influencia del tiempo invertido en el perforado y también identificará los materiales y espesores con los que se tiene una mayor dificultad en la operación de perforado; con el coeficiente .

4. Determinar los equipos que favorecen los diferentes tipos de operaciones de perforado, según la distribución espacial. Igualmente, se comprenderá el papel del tiempo de desplazamiento en la función de costos. Esto con el coeficiente adimensional .

Además de esto, el administrador deberá tener presente que al modificar varios coeficientes, el costo podría hasta llegar a no variar, por lo que se recomienda que se modifiquen la menor cantidad de coeficientes durante la sintonización. Por otro lado, si se conocen los coeficientes adimensionales de dos empresas que utilizan la misma base de datos, al compararlos será posible decir que:

- Aquella con el coeficiente más alto es la empresa en la cual el alistamiento de los equipos requiere de un mayor tiempo. Sin embargo, esto no se debe entender como una desventaja competitiva, puesto que la inversión de tiempo en el alistamiento de los equipos podría facilitar las demás operaciones en el proceso de manufactura.

- La empresa en la cual se realiza la operación de troquelado bajo las condiciones de corte más efectivas es aquella en la cual la pareja de coeficientes y tiene los

valores más bajos, esto en la medida en la que se invierte menos energía para realizar una misma operación.

- El tiempo de desplazamiento de la herramienta es menor en la empresa con el coeficiente más bajo, lo cual deja ver que esta empresa utiliza estrategias más efectivas de posicionamiento y programación de la operación de troquelado.

77

4.6 Módulo de Corte

Pese a que el módulo de corte cuenta con tres procesos de manufactura, corte por láser, corte por plasma y corte por chorro de agua, siempre se tienen los mismos 3 coeficientes adimensionales para ajustar las funciones de costos. Con estos, el administrador podrá reconocer la influencia de diferentes variables sobre su proceso productivo y por supuesto sobre el costo, al variar uno a uno los coeficientes; por ejemplo al modificar el coeficiente se evidencia la importancia del tiempo de corte sobre el costo o al cambiar el coeficiente se verá la influencia de las horas de uso del equipo, la tasa de interés y la depreciación. Otra tarea que será de utilidad para el administrador será comparar los coeficientes adimensionales en función de los equipos y del material, pues con esto identificará los materiales con lo que un equipo obtiene mejores resultados. Específicamente, la pareja de coeficientes y más baja para cada equipo corresponderá al material con el cual el equipo tiene un mejor desempeño. De igual forma, al comparar los coeficientes de dos empresas que manejan la misma base de datos se puede identificar que:

1. La empresa con la pareja de coeficientes y más bajos será aquella en la que se realiza un proceso de corte más efectivo, en la medida en la que se invierte menos energía para obtener un mismo resultado.

2. La empresa con el mayor coeficiente será aquella en la que el uso de los equipos tiene un mayor costo, lo cual representa una desventaja competitiva.

78

5 Capítulo V – Manejo del software

Este capítulo está dedicado a explicar el manejo de software, desde el punto de vista del administrador y desde el del usuario. Se considera de interés para el administrador el tema relacionado con las bases de datos y la sintonización, es decir, el ajuste de los coeficientes adimensionales de cada uno de los modelos de costos. Y para el usuario, se proporciona una guía para familiarizarlo con la interfaz de cada uno de los módulos. Adicionalmente, se presentan los pasos para una cotización exitosa.

5.1 Manual de uso para el Administrador En primer lugar, se define como el administrador del software al encargado de implementarlo, esta persona será la responsable del manejo de información confidencial, por lo que se sugiere especial atención a la labor del administrador. Ahora bien, únicamente el administrador tendrá acceso a las bases de datos y a la función de sintonización de cada módulo.

5.1.1 Manejo de las Bases de Datos

Todas las bases de datos del software siguen el mismo formato, por lo que la forma de manipularlas es semejante. El administrador deberá:

Mantener la estructura de las bases de datos, esto implica que no se deben agregar ni eliminar hojas de trabajo de Excel; y asimismo con las columnas o filas.

Respetar la forma en la cual se estructuran las bases de datos, por lo que no cambiará el lenguaje utilizado.

Proporcionar información veraz y completa; todos los campos requeridos por las bases de datos deberán completarse.

Conservar el formato, en cuenta a la letra, la forma de ingresar (nunca dejar espacios al terminar de llenar una celda) y la nomenclatura.

Activar dos mecanismos de seguridad una vez que haya llenado las bases de datos; uno de ellos para evitar que la estructura de las bases de datos se altere y el otro para que el usuario no tenga acceso a visualizar la información.

Actualizar la información de las bases de datos, lo que incluye realizar una revisión periódica del comportamiento de los coeficientes adimensionales de ajuste.

Como guía para llenar las bases de datos, en cada una existe un ejemplo para diligenciarlas correctamente; así que asegúrese de seguirlo.

5.1.2 Sintonización

El proceso de sintonización permite determinar el valor de los coeficientes de ajuste de los modelos de costos; es a través de estos es que se retroalimenta el software. El administrador deberá realizar tantas sintonizaciones como le sea posible, pues se espera que el valor de los coeficientes converja a un valor, en la medida en la que el proceso productivo sea constante. A continuación se presentan los pasos para realizar una correcta sintonización:

Realice la cotización de la pieza con la que desea sintonizar, procure que sea una pieza que típicamente se manufacture.

Ingrese a la función del módulo denominada como Sintonizador.

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Una vez tenga acceso a la ventana de sintonización, empiece a modificar los valores de los coeficientes adimensionales. Para esto tenga presente el significado de cada uno y altérelos con prudencia, es decir, identifique el orden de prioridad para modificar los coeficientes. Piense en el proceso de manufactura, con esto identifique las variables de mayor relevancia y asócielas a uno de los coeficientes. Continúe modificando los coeficientes hasta que el costo estimado corresponda con el costo real de manufactura; tenga en cuenta el alcance de los modelos de costos y sus suposiciones.

Guarde los coeficientes de sintonización a través de la opción Aceptar en la ventana de sintonización.

Realice una sintonización periódicamente y una vez la complete, revise las hojas de Excel de la base de datos asociadas a los coeficientes de sintonización para analizar el comportamiento de los coeficientes de ajuste. Preste especial atención a la dispersión de los valores registrados.

A continuación se presentan algunos ejemplos de las ventanas de sintonización, de estas es importante resaltar la opción de ayuda, pues en ella encontrará una guía personalizada para cada módulo.

Ilustración 76 Interfaz de sintonización Módulo de fundición

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Ilustración 77 Interfaz de sintonización Módulo de troquelado de lámina

5.2 Manual de Uso para el Usuario

Al usuario se le recomienda cautela con los resultados del software, recuerde que es un estimativo del costo; utilícelo para darse una idea del valor de la manufactura de su diseño. Sin lugar a dudas, la recomendación más importante es que haga uso de las ayudas que le brinda el software; en ellas encontrará explicaciones respecto a los términos usados en la interfaz que le permitirán suministrar la información correcta. En cuanto al manejo del software, a continuación se presentan los pasos básicos para usarlo apropiadamente:

1. Al abrir el software, encontrará una hoja Excel, como se muestra en la siguiente ilustración. De clic en COT-RIM V1.0.

Ilustración 78 Acceso al software

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2. La ventana que se abrirá es muestra en la ilustración 79. Usted deberá seleccionar el proceso de manufactura que desea utilizar para generar su pieza.

Ilustración 79 Interfaz principal COT-RIM V1.0

3. Una vez seleccione el proceso de manufactura, de clic en la opción ayuda de la ventana que emerge. En esta encontrará los pasos para manejar el módulo correctamente. Sígalos y al final del proceso obtendrá el costo de manufacturar su diseño.

Ahora bien, con el fin de familiarizar al usuario con la interfaz del software, a continuación encontrará una guía rápida para cada uno de los módulos.

1. Módulo de Fundición: La ventana principal de este módulo se muestra en la ilustración 80. Está conformada por 4 secciones: Identificación, Características, Modelo y Cotización. La primera permite registrar la información del usuario; en la segunda se describe la pieza que desea manufacturar; en la tercera debe señalar si cuenta o no con el modelo, en caso de no tenerlo se abrirá un módulo para describir en detalle los requerimientos de su pieza; y por último, en la sección de cotización deberá especificar la cantidad requerida y al finalizar el proceso allí se le mostrarán los resultados.

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Ilustración 80 Ventana principal módulo de fundición

Y los pasos para realizar una cotización exitosa son: a) Especifique las características de su pieza. Para esto, por favor seleccione un

material de la lista. Luego, especifique la masa y las dimensiones del prisma en el cual está inscrita su pieza; continúe con el espesor máximo y mínimo, con sus respectivas longitudes; finalmente, seleccione un tipo de acabado superficial.

b) Especifique la cantidad de piezas que desea, en número. c) Responda la pregunta en relación al modelo. En caso de que su respuesta sea NO,

se abrirá una ventana donde deberá suministrar toda la información para cotizar el modelo.

d) Verifique sus respuestas y proceda a dar clic en el botón COTIZAR.

2. Módulo de Troquelado de lámina: La ventana principal de este módulo se muestra en la ilustración 81. Está conformada por 4 secciones: Identificación, Materia Prima, Operación y Cotización. La primera permite registrar la información del usuario; en la segunda se debe especificar la materia prima; en la tercera pueden visualizar las operaciones que agrega el usuario; y por último, en la sección de cotización deberá especificar la cantidad requerida y al finalizar el proceso allí se le mostrarán los resultados.

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Ilustración 81 Ventana principal Módulo de Troquelado

Para mayor claridad, los tipos de operaciones que se pueden agregar son: Perforación simple, Patrón y Trayectoria. Tal y como se evidencia en la ventana de agregar operación (ilustración 82).

Ilustración 82 Operaciones módulo de Troquelado

Siga los pasos que se describen a continuación para tener una cotización exitosa: a) Especifique las características de su materia prima. Para esto, por favor seleccione un

material de la lista. Luego, seleccione el calibre. Finalmente, escriba en número el ancho y el largo de su placa.

b) Especifique la cantidad de piezas que desea, en número. c) Agregue las operaciones de acuerdo a su requerimiento. Si no encuentra ninguna que

satisfaga su necesidad, por favor póngase en contacto directo con nosotros. Especifique las dimensiones y requerimientos de su pieza, conforme se solicite en la ventana que emerge al seleccionar un tipo de operación.

d) Si desea modificar alguna de las características de una de las operaciones, de clic en el botón MODIFICAR; ahora, si desea eliminar alguna de las operaciones, de clic en el botón REMOVER; de lo contrario, de clic en el botón COTIZAR para obtener un estimativo del costo de su pieza y del tiempo necesario para su manufactura.

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3. Módulo de doblado: La ventana principal de este módulo se muestra en la ilustración 83. Está conformada por 4 secciones: Identificación, Materia Prima, Forma y Cotización. La primera permite registrar la información del usuario; en la segunda se debe especificar la materia prima; en la tercera encontrará las posibles formas que se pueden cotizar, deberá seleccionar una de estas y completar la información que se solicita en la ventana emergente; y por último, en la sección de cotización deberá especificar la cantidad requerida y al finalizar el proceso allí se le mostrarán los resultados.

Ilustración 83 Ventana principal Módulo de Doblado de lámina

Para una cotización exitosa por favor:

a) Especifique las características de su materia prima. Para esto, por favor seleccione un material de la lista. Luego, escriba el calibre, en número, y recuerde que debe estar entre los límites que se especifican en la ventana principal una vez que usted selecciona el material. Finalmente, escriba en número el ancho y el largo de su placa.

b) Especifique la cantidad de piezas que desea, en número. c) Seleccione una de las formas, de acuerdo a su requerimiento. Si no encuentra ninguna

que satisfaga su necesidad, deberá ponerse en contacto directo con la empresa. d) Especifique las dimensiones y requerimientos de su pieza, conforme se solicite en la

ventana que emerge al seleccionar una forma. e) Si desea modificar alguna de las características de su pieza, de clic en el botón

MODIFICAR; de lo contrario, de clic en el botón COTIZAR para obtener un estimativo del costo de su pieza y del tiempo necesario para su manufactura.

Para que se dé una idea de las características que el software le solicita, vea la ilustración 84.

85

Ilustración 84 Ejemplo ventana de forma Modulo de doblado de lámina

4. Módulo de Prototipado rápido: La ventana principal de este módulo se muestra en la ilustración 85. Está conformada por 4 secciones: Tamaño, Aplicación, Aspecto y Cantidad. En la primera se solicitan datos generales de las dimensiones de la pieza; en la segunda se debe especificar la funcionalidad de la pieza; en la tercera deberá describir el aspecto que desea que tenga su pieza; y por último, debe especificar la cantidad de piezas. Una vez diligencie la información, el software se sugerirá una tecnología y le pedirá que defina el tipo de cotización que desea, si una de alta precisión o una aproximada. Con el primer tipo, usted deberá utilizar un software adicional para determinar la cantidad de material y de tiempo requeridos; se le indicará la forma de manipularlo (ver ilustración 86). Finalmente, se presentará una ventana con el resumen de su cotización, como se muestra en la ilustración 87.

Ilustración 85 Ventana principal Módulo de Prototipado rápido

86

Ilustración 86 Ventana Cotización de alta precisión módulo de prototipado rápido

Ilustración 87 Resumen de cotización Módulo de Prototipado rápido

5. Módulo de corte: La ventana principal de este módulo se muestra en la ilustración 88. Está conformada por 4 secciones: Identificación, Materia Prima, Cortes y Cotización. La primera permite registrar la información del usuario; en la segunda se debe especificar la materia prima; en la tercera podrá visualizar los cortes que agregue; y por último, en la sección de cotización deberá especificar la cantidad requerida y al finalizar el proceso allí se le mostrarán los resultados.

87

Ilustración 88 Ventana principal Módulo de Corte

Cuando de clic en la opción agregar corte, se abrirá la siguiente ventana. A través de esta el software seleccionará la tecnología más adecuada para satisfacer los requerimientos de la pieza. Finalmente, se mostrará la ventana que se observa en la ilustración 89. Tras esto usted podrá realizar la cotización.

Ilustración 89 Ventana selección de tecnología Módulo de corte

Ilustración 90 Agregar corte Módulo de Corte

6. Módulo de Mecanizado: La ventana principal de este módulo se muestra en la ilustración 91. Está conformada por 4 secciones: Información, Materia Prima, Rasgos y Cotización. En la primera se solicitan el usuario proporciona sus datos, para regístralo; en la segunda se debe describir la materia prima, en cuanto a material y geometría (las dimensiones se ingresaran una vez que seleccione una geometría); en la tercera el usuario podrá visualizar los rasgos que agregue; y finalmente, en la sección de cotización el usuario debe especificar la cantidad de piezas, y allí se mostrará el costo y el tiempo asociados a la manufactura.

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Ilustración 91 Ventana principal Módulo de Mecanizado

Los rasgos que el usuario puede agregar son los que se muestran en la siguiente ilustración.

Ilustración 92 Tipos de rasgos Módulo de Mecanizado

Para una cotización exitosa el usuario deberá: a) Especificar las características de la materia prima, seleccionando uno de los

materiales de la lista y especificando el tipo de geometría y las dimensiones. b) Identificar los rasgos que componen su pieza; una vez los tenga claros, proceda a

agregarlos. Cada vez deberá especificar las dimensiones y los requerimientos de precisión y acabado superficial.

c) Deberá registrar la cantidad de piezas que desea manufacturar. d) Finalmente, con el botón Cotizar podrá obtener el costo y el tiempo asociados a la

manufactura.

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6 Capítulo V – Conclusiones y Recomendaciones

En este capítulo se darán a conocer las conclusiones del proyecto y asimismo las recomendaciones para trabajos futuros.

6.1 Conclusiones

1. El principal resultado de este proyecto es el software denominado como COT-RIM V1.0, el cual es un autómata para la cotización flexible de los siguientes procesos de manufactura: Doblado y Troquelado de lámina, Corte por Láser, Corte por Plasma, Corte por Chorro de agua, Fundición y Prototipado rápido. El software se creó a través de Visual Basic para Aplicaciones en Microsoft Excel y maneje modelos de costos de carácter generativo con funciones de costos teóricas retroalimentadas por medio de coeficientes adimensionales.

2. El software se encuentra listo para ser implementado, es decir para ingresar la información a las bases de datos y proceder hacer pruebas de calibración. Únicamente con los módulos de mecanizado y de Prototipado rápido se llegó a esta instancia, la cual se realizó en el laboratorio de manufactura de la Universidad de los Andes. Los resultados de las pruebas muestran que la metodología de estimación de costos da respuesta a los requerimientos de diseño.

3. El módulo de mecanizado si bien utiliza el modelo de costos utilizado por el software SCOPMEC 2.0, amplio su metodología de tal forma que el usuario no tiene la necesidad de conocer el volumen removido por cada operación de mecanizado. Adicionalmente, se generó un algoritmo para determinar el conjunto máquina-herramienta – parámetros de corte que satisfacen los requerimientos de la pieza, en cuanto a precisión y acabado superficial.

6.2 Trabajos futuros

Sin lugar a dudas, el siguiente paso debe estar enfocado en la calibración del software. Para lo cual es de vital importancia generar vínculos con la industria local. Tarea que por la experiencia durante la realización de este proyecto, resulta ardua. Se evidenció una gran desconfianza en el uso de software para la cotización y una marcada dependencia de la experiencia de los trabajadores para estimar los costos de manufactura. Por otra parte, se considera pertinente que un experto en programación en Visual Basic para aplicaciones revise el código generado, con el fin de darle una mayor solidez.

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