Clasificación de los Materiales No Metálicos

Los materiales no metálicos están formados por aquellos en cuya composición no intervienen los metales como componente básico.

Según su origen

• Materiales naturales: seda y cuarzo.
• Sintéticos: hormigón y vidrio.
• Materiales auxiliares: pulimentos, pinturas, lubricantes.

Según la necesidad a satisfacer

Alimentación, vivienda, vestido y calzado, ornamentación, energía, herramientas, transporte, comunicación.

Clasificación General

• Madera
• Plásticos: termoplásticos, termoestables, otros plásticos.
• Elásticos: caucho.
• Cerámicos
• Fibrosos: fibras textiles.
• Celulósicos: papel y cartón.
• Petróleos
• Lubricantes: sólidos, aceites y grasas.

Materiales Cerámicos

Presentan estructuras de enlaces iónico-covalentes que facilitan la dureza, rigidez y altos puntos de fusión; son menos elásticos y tenaces.

Tipos de Cerámicos

• Cerámicos cristalinos: compuestos de sílice fundido. Su proceso de fusión y solidificación es lento; poseen grandes resistencias mecánicas y soportan altas temperaturas.
• No cristalinos: compuestos de sílice. Un enfriamiento rápido impide la cristalización; el sólido resultante es amorfo.
• Vitrocerámicos: compuestos de silicato de aluminio y litio. Con un enfriamiento rápido, ofrecen mayor resistencia mecánica y muy baja dilatación térmica.

Polímeros

Material cuyo componente principal es un producto orgánico de peso molecular elevado.

• Termoestable: se endurece al calor y presión. Es un proceso irreversible (a raya cocida).
• Termoplástico: el calor le otorga plasticidad y fluidez; se endurece al enfriarse y se puede remodelar.
• Elastómeros: poseen una estructura intermedia; son capaces de deformarse elásticamente sin cambiar su forma original.

Componentes (Resinas)

Materiales sintéticos compuestos por elementos de cohesión o refuerzo: fenólicas, úrica, de melamina, poliéster, cloruro de polivinilo (PVC), polietileno, polimetacrilato, politetrafluoroetileno (Teflón).

Propiedades Físicas de los No Metálicos

Varían mucho en su apariencia; no son lustrosos y son malos conductores. Tienen puntos de fusión bajos (comparativamente, aunque el carbono llega a 3570 °C), no tienen brillo metálico y no reflejan la luz. Muchos se encuentran en seres vivos (C, H, O, N, P, S).

A temperatura ambiental se encuentran en estado:

• Gaseoso: H₂, N₂, O₂, F₂, Cl₂.
• Líquido: Br₂.
• Sólido volátil: I₂.

Propiedades Mecánicas

• Plasticidad: capacidad para mantener una deformación permanente.
• Elasticidad: capacidad para recuperar la forma al eliminar el esfuerzo.
• Ductilidad: capacidad de experimentar una deformación plástica antes de romperse.
• Fragilidad: tendencia a la fractura en dos o más piezas con mínima deformación antes de romperse.
• Termofluencia: conservación de propiedades a altas temperaturas.
• Choque térmico: fractura de un material debido a un cambio brusco de temperatura.
• Fractura: los polímeros fallan por falta de ductilidad o por mecanismo frágil.
• Porosidad del material: en cerámicos influye en la conductibilidad térmica; a más fricción, menos conductibilidad.

Propiedades Físicas de Polímeros

• Conductibilidad: bajo dieléctrico, acumula electricidad estática.
• Resistividad: agregada por compuestos iónicos.
• Extrínsecos: mayor conductibilidad.
• Polarización electrónica: concentración del electrón en el lado del núcleo más cercano al extremo positivo.
• Polarización iónica: deformación elástica en un campo eléctrico.
• Polarización molecular: los dipolos naturales giran hasta alinearse.
• Piezoelectricidad: aplicación de corriente alterna de alta frecuencia, produciendo dilatación y concentración.

Proceso de Fundición

Definición metalúrgica: La fundición es una forma de metalurgia extractiva. El proceso implica calentar y reducir la mena mineral para obtener metal puro y separarlo de la ganga. Principalmente se usa como agente reductor una fuente de carbono vegetal.

Definición de proceso: Proceso para obtener piezas a partir de la licuación de metales que luego pasarán por un molde debidamente preparado donde se solidificarán y tomarán la forma deseada.

Importancia

• Permite fabricar piezas de diferentes dimensiones y fáciles de mecanizar.
• Gran precisión de forma en la fabricación.
• Las piezas son resistentes al desgaste.
• Es un proceso relativamente ecológico.

Propiedades de las piezas fundidas

• Buena resistencia a la compresión.
• Baja resistencia a la tracción.
• Resistencia a las vibraciones.
• Fragilidad y maleabilidad en caliente.
• Resistencia al desgaste.

Etapas del Proceso de Fundición

1. Diseño del modelo.
2. Fabricación del modelo.
3. Moldeo.
4. Fusión.
5. Colado / Vaciado.
6. Limpieza y acabado.

Fundición en Arena

La tierra o arena de fundición es una mezcla de sílice y arcilla que contiene cantidades variables de cal y óxido de hierro (Fe).

• Propiedades de la arena: resistencia al fuego/calor, compacta y plástica, estabilidad de formas, alta porosidad y permeabilidad.
• Tipos de arenas:
  • Arena con aglutinante natural: mezcla de sílice y arcilla (tal como salen de los yacimientos); se emplea para hierro gris y metales no ferrosos.
  • Arena con aglutinación sintética: mezcla de sílice sin arcilla con bentonita; se emplea para hierro maleable, acero y magnesio.

Tipos de Moldes

Fundición en arena, fundición en coquilla (molde permanente), fundición centrífuga, fundición a presión o por inyección.

Aleaciones para Fundición

Aleaciones Ferrosas

• Fundición de acero: bajo carbono (<0.20%), mediano carbono (0.20% – 0.50%), alto carbono (>0.50%).
• Fundición de hierro maleable: 2.0% < C < 2.80%, 0.90% < Si < 1.80%.
• Fundición de hierro gris: aleación de Fe, C y Si.

Aleaciones No Ferrosas

Fundición de aluminio, cobre, silicio y otros. Magnesio (Mg). Fundiciones a base de Cu: Zn (latón ferroso), estaño (bronce), níquel y aluminio (bronce al níquel).

Aseguramiento de Calidad

Calidad: Total de características de un producto o servicio que le confiere su aptitud para satisfacer necesidades expresadas o implícitas.

Enfoques de Calidad

• Basada en el usuario (cliente/público).
• Basada en el fabricante (posibilidades de la empresa).
• Basada en el producto (características mínimas).
• Basada en el valor (adecuada al presupuesto).

Orígenes y Tipos de Calidad

• Calidad necesaria: la mínima con la que debe contar un producto.
• Calidad programada: la que la empresa planea alcanzar.
• Calidad realizada: características finales tras la fabricación.

Sistema de Gestión de Calidad (SGC): Estructura operacional de trabajo documentada e integrada a los procedimientos técnicos para guiar las acciones de la fuerza de trabajo.

Defectos en Piezas de Molde

Aspectos del Diseño de Productos

Diseño: Referencia a la forma en que se organizan los elementos y características de una pieza.

Características Preliminares

• Medidas: tamaño y partes que componen el producto.
• Público: a quién va dirigido.
• Método de diseño: manual o digital.
• Materiales: selección de insumos.
• Prototipado: determinación de su necesidad.

Aspectos durante el Diseño

• Tolerancias: límites considerados según las propiedades de los materiales.
• Propiedades: consideración del entorno (clima, ubicación).
• Ensamble: distancias para un ajuste correcto.
• Planos: 2D (acotaciones y vistas) y 3D (vista isométrica).

Evaluación y Mejora

• Conservación: mantener archivos editables originales.
• Funcionalidad: concordancia con requerimientos y tolerancias.
• Similaridad: cadencia de las piezas al ensamble.
• Retroalimentación: correcciones o mejoras.
• Círculo de Deming: Planear, Hacer, Verificar, Actuar (PHVA).

Etapas y Condiciones del Diseño

Etapas del Diseño

Definición de la necesidad, concepto original, diseño conceptual, análisis del diseño, planos finales, especificación de material, modelos físicos/analíticos, pruebas de prototipo, evaluación, diseño revisado, selección de equipo y evaluación del proceso.

Condiciones de Diseño

Diseño ambiental, economía, consideraciones legales, comercialización, mantenimiento y calidad.

Ejemplo de Diseño de Mecanismo

• Esquema actual: Material -> Alimentadora -> Tren de laminación -> Cortadora.
• Situación: Operarios retiran manualmente el perfil cortado.
• Requerimiento: Sistema automático de retiro de perfil.
• Etapas de solución: Estudio preliminar, elección del mecanismo, estudio geométrico, croquis, parámetros, elección de motor y determinación de fiabilidad.

Modos de Fallo en Sistemas Mecánicos

Deformación elástica, fluencia, picado, ruptura dúctil, ruptura frágil, corrosión, fatiga, desgaste, impacto, frotamiento, relajación térmica, ruptura por tensión y choque térmico.

Procesos de Fabricación y Manufactura

Pasos: Control y planeación, operación de configuración, manufactura del proceso.

Mejora del Proceso

• Modificación de operaciones.
• Mecanización de operaciones manuales.
• Uso eficiente de recursos.
• Utilización de robots.

Capacidad y Desempeño del Proceso

Es vital asegurar que el proceso mantenga las tolerancias especificadas.

Definiciones Básicas

• Proceso: combinación de máquinas, herramientas, métodos y personas.
• Capacidad/Habilidad: aptitud basada en desempeño probado para lograr resultados medibles.
• Capacidad de proceso: aptitud para producir dentro de los límites de calidad.
• Capacidad de medida: cuantificación a partir de datos de medición.
• Capacidad inherente: uniformidad del producto en estado de control estadístico.
• Variabilidad natural: variaciones aleatorias cuando el proceso está bajo control.
• Valor nominal: valor ideal óptimo deseado.

Objetivos del Análisis de Capacidad

1. Predecir el cumplimiento de especificaciones.
2. Apoyar a diseñadores en modificaciones.
3. Especificar requerimientos para equipo nuevo.
4. Seleccionar proveedores.
5. Reducir variabilidad.
6. Planear secuencias de producción.

Variaciones Temporales

• Corto plazo (Zst): datos recolectados en periodos breves para evitar cambios asignables.
• Largo plazo (Zlt): datos en periodos largos que incluyen cambios de proceso.

Índices de Capacidad

LSE = Límite Superior Estadístico | LIE = Límite Inferior Estadístico

Interpretación del Índice Cp

• Cp > 2: Clase mundial (Calidad 6 Sigma).
• 1.33 <= Cp <= 2: Más que adecuada.
• 1 <= Cp <= 1.33: Adecuada para el trabajo, pero requiere control estricto.
• 0.67 <= Cp <= 1: No adecuada, requiere análisis del proceso.
• Cp <= 0.67: No adecuada, requiere modificaciones serias.

Medidas ante Procesos No Aptos

Mejorar el proceso, cambiarlo por uno mejor, ajustar especificaciones, rediseñar el producto, inspección al 100%, obtener permisos temporales de desviación o dejar de fabricar el producto.

Herramientas Estadísticas

1. Histograma.
2. Diagrama de posibilidades.
3. Gráfica de control.
4. Diseño de experimentos.

Etiquetas: capacidad de proceso, cerámicos, fundición, gestión de calidad, ingeniería de materiales, materiales no metálicos, polímeros, Procesos de Manufactura