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, septiembre de
2019
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
TÍTULO: PROCESO DE DISEÑO DE UNA PIEZA POR CONFORMADO
DE CHAPA Y SU RELACIÓN CON LOS CONCEPTOS DE
INDUSTRIA 4.0
Autor: Yasiel Peña Peñaranda
Tutor: Dr. C. José R. Marty Delgado. Profesor Titular
, september, 2019
MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT
TITLE: DESIGN PROCESS OF A PART IN SHEET METAL FORMING AND
ITS RELATIONSHIP WITH CONCEPTS OF INDUSTRY 4.0
Author: Yasiel Peña Peñaranda
Advisor: Prof. José R. Marty Delgado. PhD.
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de
Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria
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de la mencionada casa de altos estudios.
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i
Listado de símbolos y caracteres
Caracteres latinos
i4.0 Industria 4.0
IoT Internet de las Cosas
TIC Tecnologías de la Información y las
Comunicaciones
PLM Product Lifecycle Management (Gestión del
ciclo de vida del producto)
FITMAN Future Internet Technologies for Manufacturing
Industries
FLD Forming Limit Diagram
PDM Product Data Management (Gestión de datos
del Producto)
CAD Computer Aided Design (Diseño Asistido por
Computadoras)
CAE Computer Aided Engineering (Ingeniería
Asistida por Computadoras)
CAM Computer Aided Manufacturing (Manufactura
Asistida por Computadoras)
CAPP Computer Aided Processing Planning
(Planificación de Procesos Asistida por
Computadoras)
Caracteres griegos
Δ Tolerancia de fabricación de la pieza mm
𝛿𝑝 Tolerancia de fabricación del punzón mm
𝛿𝑚 Tolerancia de fabricación de la matriz. mm
ii
Listado de figuras
Pág.
Figura 1. Tecnologías habilitadoras incorporadas al concepto de i4.0 7
Figura 2. Representación de la integración de la cadena de valor en i4.0 10
Figura 3. Interrelación entre los actores principales que intervienen en el
concepto de i4.0
11
Figura 4. Hoja de ruta crítica para la transformación digital de las actuales
empresas
12
Figura 5. Empresa extendida según la Ingeniería colaborativa 19
Figura 6. Diagrama de flujo para la planeación de un proceso de troquelado
de chapas en un ambiente de ingeniería concurrente
21
Figura 7. Representación de las etapas del ciclo de vida de un producto 25
Figura 8. a) disco embutido. b) Detalle del retén de la bomba de inyección
del camión Yamz
29
Figura 9. Porta matriz 40
Figura 10. Matriz de embutición 41
Figura 11. Placa inferior 42
Figura 12. Columna guía 43
Figura 13.Punzón de embutición. 43
iii
Listado de Tablas
Pág.
Tabla 1. Características de los modelos de negocios 12
Tabla 2. Propuesta de iniciativas para industria i4.0 asociada a procesos de
manufactura de piezas por conformación de materiales
15
Tabla 3. Bloques de funcionalidad PLM 27
Tabla 4. Software de diseño disponibles en el mercado 28
Tabla 5. Composición química del acero 1020 29
Tabla 6. Propiedades mecánicas del acero 1020 30
Tabla 7. Sobremedida para el corte del semiproducto 32
Tabla 8. Coeficientes de embutido 33
Tabla 9. Factor de relación de embutición 37
Tabla. 10 Materiales de los elementos del troquel 39
Tabla 11 Dimensiones de la porta matriz 39
Tabla 12. Dimensiones de la matriz 40
Tabla 13. Dimensiones de la placa base 41
Tabla 14. Dimensiones de las columnas guías 42
Tabla 15. Elementos de costo promedio para las actividades de diseño y
gestión del proyecto
44
iv
CONTENIDO
Listado de símbolos y caracteres .................................................................................. i
Listado de figuras ......................................................................................................... ii
Listado de Tablas ........................................................................................................ iii
RESUMEN ................................................................................................................... v
ABSTRACT ................................................................................................................. vi
INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 1
CAPÍTULO I. Herramientas avanzadas en ingeniería ................................................. 7
1.1 Industria 4.0........................................................................................................ 7
1.1.1 Implicaciones de la industria 4.0 en la planificación y la organización de los
procesos industriales ................................................................................................... 9
1.1.2 Industria 4.0, guía para su introducción en la empresa ..................................... 12
1.1.3 Retos y oportunidades de i4.0 ........................................................................... 15
1.2 Ingeniería concurrente ..................................................................................... 17
1.2.1 Ingeniería concurrente en los procesos de embutición cilíndrica de chapas sin
reborde ....................................................................................................................... 20
1.3 Conclusiones parciales del Capítulo I .................................................................. 22
CAPÍTULO II. Proceso de diseño de la pieza embutida ............................................. 25
2.1 Ciclo de Vida del Producto (PLM) .................................................................... 25
2.2 Fase inicial o fase de análisis: definición de la pieza a embutir ........................... 28
2.3 Diseño conceptual la pieza .................................................................................. 30
2.4 Conclusiones parciales del Capítulo II ................................................................. 37
CAPÍTULO III. Análisis de resultados ........................................................................ 39
3.1 Fase de diseño en detalle .................................................................................... 39
3.2 Consideraciones económicas .............................................................................. 43
3.3 Conclusiones parciales del capítulo III ................................................................. 45
CONCLUSIONES GENERALES ................................................................................ 46
RECOMENDACIONES .............................................................................................. 47
BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 48
ANEXOS .................................................................................................................... vii
v
RESUMEN
En el presente trabajo, sobre la base de una amplia revisión bibliográfica, se desarrolla
un acercamiento conceptual al término Industria 4.0 y sus herramientas habilitadoras;
se propone una relación de estos conceptos con el diseño del proceso de embutición
de piezas cilíndricas sin reborde, para el caso de estudio de un componente del retén
de la bomba de inyección de los camiones Yamz. Mediante el método de trabajo
científico se propone la estructura general del trabajo, los objetivos y metas a alcanzar.
Se presta especial atención al diseño del producto con la ayuda de un programa de
modelado sólido CAD. Los resultados obtenidos son satisfactorios y se pueden
extender a otras piezas y procesos de manufactura.
Palabras claves: industria 4.0, CAD, chapa metálica, embutición.
vi
ABSTRACT
In the present work, based on a wide literature review, conceptual approach to the term
Industry 4.0 and its supporting tools is developed; a relationship of these concepts is
proposed with the design of the cylindrical parts drawing process without flange, for the
case study of a component of the Yamz truck injection pump retainer. Through the
method of scientific work, the general structure of the Thesis, the objectives and goals
to be achieved are proposed. Special attention is given to product design with the help
of a solid CAD modeling program. The results obtained are satisfactory and can be
extended to other parts and manufacturing processes.
Keywords: industry 4.0, CAD, sheet metal, drawing
1
INTRODUCCIÓN
La industria de conformación de materiales, en Cuba, es altamente multidisciplinaria y
fragmentada en subconjuntos. La ingeniería colaborativa, la manufactura inteligente, y
mas recientemente, la industria 4.0 (i4.0), se perfilan como una respuesta articuladora,
constituyen una arquitectura digitalizada donde se pueden compartir y transferir
conocimientos del ciclo de vida del producto entre empresas geográficamente
distantes, y adoptar decisiones correctas en un ambiente colaborativo de trabajo.
Los procesos de corte, doblado y embutición de chapas constituyen un grupo
representativo de los procesos de transformación de la chapa metálica en los que al
nivel nacional e internacional, coexisten elementos que han desencadenado
transformaciones en la forma de concebir estos procesos, entre otros, la incorporación
de software de mecánica general y específicos en el diseño y la manufactura, la
necesidad acortar tiempos para competir en los mercados y reducir costos,
manteniendo niveles de calidad en la producción y en las trayectoria de los grupos de
trabajo.
Según los conceptos anteriores, la manufactura inteligente es considerada como la
habilidad de representar digitalmente cada aspecto de la manufactura, desde el diseño
hasta el proceso de fabricación [1], haciendo uso de herramientas de software como
el de diseño y manufactura asistida por computadora (CAD/CAM), los sistemas para
la gestión del ciclo de vida de los productos (PLM), el uso de software de análisis,
simulación y gestión, etc. Esta es la parte del concepto integrador de i4.0 que se
aprovechará para la realización del presente Trabajo de Diploma.
Los conceptos de Industria 4.0 (i4.0) y manufactura inteligente, según [2], son
relativamente nuevos y contemplan la introducción de las tecnologías digitales en la
industria de la fabricación. La Industria 4.0 está sustentada en el desarrollo de sistemas
y el internet de las cosas (IoT); unida a otras tecnologías como la fabricación aditiva,
la impresión 3D, la ingeniería inversa, el big data y la analítica, la inteligencia artificial,
etc., las que al trabajar de forma conjunta, están generado cambios trascendentales
no sólo en la industria de la manufactura sino también, en el comportamiento del
consumidor y en la manera de diseñar los productos y procesos.
2
De esta forma, i4.0 es la estrategia que define la digitalización y revolución de la
producción y la fabricación de manera que se integran en ellas las tecnologías más
avanzadas permitiendo flexibilizar la producción y reducir los costos en la fabricación,
conforme aparece en [3].
Según [4], la i4.0 surge por tanto, como una nueva revolución industrial, y consiste, en
síntesis, en incorporar las nuevas tecnologías o habilitadores digitales a la industria.
En este sentido, la transformación digital supone todo un desafío para la industria, pero
debe señalarse que también ofrece una gran oportunidad para mejorar la posición
competitiva de esa industria.
La conceptualización que existe sobre i4.0 es reciente, amplia y diversa, sin embargo,
ha sido definida en [5] como una maquinaria física y dispositivos con sensores y
software que trabajan en red y permiten predecir, controlar y planear mejor la
manufactura y los resultados organizacionales.
El impacto de esta transformación tecnológica es tal que está incidiendo en todos los
aspectos, desde el diseño, la producción, logística y organización, hasta la
investigación y desarrollo, así también en el control de los inventarios, la gestión y el
soporte al cliente. Ejemplos de aplicaciones de los conceptos de Industria 4.0 al campo
de la logística pueden encontrarse en [6]. Uno de los principales cambios debe verse
en la cadena de suministro, ya que una de las transformaciones que se pretende
conseguir con la Industria 4.0 es la producción simultánea de una amplia gama de
productos en el menor tiempo posible, además de obtener niveles mucho mayores de
personalización para el cliente.
Las tecnologías modernas de la información y de las comunicaciones como sistemas
ciber-físicos, análisis de big data (grandes datos) y computación en la nube, ayudarán
en la detección temprana de defectos de procesos y fallas en la producción,
permitiendo así su prevención y aumentando los beneficios de la productividad,
calidad, y agilidad de las producciones con valor competitivo.
Han sido numerosos los estudios que se han hecho a lo largo del tiempo sobre cuáles
son las distintas etapas del producto a lo largo de su vida, haciendo un resumen entre
los distintos enfoques que aparecen en la literatura, se puede definir que: “El ciclo de
3
vida de un producto es el conjunto de etapas que recorre un producto individual (o
conjunto interrelacionado de componentes físicos o intangibles) destinado a satisfacer
una necesidad desde que este es creado hasta su fin de vida”
Para el desarrollo de un nuevo producto es necesario apoyarse en herramientas de
modelado sólido que faciliten la etapa de diseño de producto, los llamados programas
CAD, el producto final tiene que cumplir una serie de requisitos, por lo que es necesario
realizar simulaciones de situaciones reales para comprobar que el producto es apto,
estas simulaciones se llevan a cabo con la ayuda de programas CAE, y finalmente el
producto final debe ser procesado por una determinada tecnología de fabricación en
un ambiente controlado, los programas CAM permiten modelar los procesos de
fabricación para la pieza.
El caso de estudio de esta tesis se refiere a un componente del retén de la bomba de
inyección de los camiones Yamz que se obtiene por embutición cilíndrica sin reborde.
Con la realización de este Trabajo de Diploma se pretende entender el concepto de
ciclo de vida de un producto, comprender cómo la evolución de la ingeniería tradicional
en ingeniería colaborativa ha ayudado a interconectar todas las distintas fases del
diseño, consiguiendo reducir los costos asociados al diseño y obteniendo un diseño
completo que tiene en cuenta los requisitos y optimiza los procesos de todas las
distintas áreas de la empresa.
En los procesos de embutición, como se explica en [7], la calidad de la pieza queda
determinada, entre otros factores por la variabilidad en las propiedades del material de
la chapa, el material de las herramientas, cambios geométricos en la herramienta
debido al desgaste, variaciones en las condiciones superficiales, holguras,
propiedades del material de la herramienta, temperatura, fuerza en el prensachapas,
velocidad del punzón, localización de la herramienta y la rigidez de la prensa, entre
otras.
La embutición es el procedimiento más complejo desde el punto de vista físico
mecánico; permite obtener una pieza en forma de recipiente a partir de chapas planas.
La deformación por embutición es una tecnología de conformado de chapa metálica
que permite la fabricación de grandes series de piezas de geometrías simples y
4
complejas a partir de herramientas denominadas troqueles montados sobre una
prensa.
El problema de investigación del Trabajo de Diploma, por tanto, es formulado de la
siguiente manera:
¿Cuáles son las bases para conocer los puntos críticos para introducir paulatinamente
los conceptos de i4.0 en las condiciones de la industria nacional y su relación con los
procesos de embutición cilíndrica de piezas?
El campo y objeto de estudio quedan delimitados de la siguiente manera, objeto de
estudio: se enfoca en los conceptos y los términos relacionados con la i4.0 y la
manufactura inteligente en relación a los procesos de conformación de materiales. El
campo de acción lo constituyen los procesos de embutición cilíndrica de chapas, sin
reborde.
En función de dar respuesta al problema científico antes enunciado, la hipótesis de
la investigación plantea que: a partir de la consulta a expertos y del análisis de la
bibliografía disponible, es posible formular una propuesta como paso inicial para
conocer los puntos críticos en el entendimiento conceptual de i4.0 y su relación con
los procesos de embutición cilíndrica de piezas.
Objetivo general:
Explicar las principales tecnologías incorporadas al modelo de Industria 4.0 y
manufactura digital para favorecer su conocimiento y difusión en el ámbito de la
producción industrial nacional, con el fin de relacionarlos con los procesos de
embutición cilíndrica de piezas.
Objetivos específicos:
1. Identificar mediante técnicas de revisión de la literatura, información suficiente que
permita conceptualizar los términos relacionados con la Industria 4.0, manufactura
inteligente, ciclo de vida del producto, sus implicaciones y retos para su
implementación en las condiciones de la producción industrial en Cuba.
5
2. Explicar mediante el estudio de casos aplicados a procesos de conformación por
embutición cilíndrica de una determinada pieza, las posibilidades y limitaciones
para la adopción del concepto de Industria 4.0.
3. Diseñar, bajo los conceptos del sistema definido anteriormente, los componentes
básicos de un troquel de embutición simple para una pieza del retén de la bomba
de inyección de los camiones Yamz.
Para el desarrollo de esta investigación y alcanzar los objetivos previstos, se aplica
como método fundamental de investigación, el método científico de trabajo,
apoyado en otros métodos de investigación científica tales como el método teórico
inductivo-deductivo. Mediante este método, se elabora la hipótesis y se proponen las
líneas de trabajo a partir de los resultados de la revisión bibliográfica. Se emplea
además, el método sistémico para enmarcar el tema de investigación en el objeto de
estudio y su campo de acción.
La implementación futura de los sistemas y conceptos descritos en la Tesis, como
parte de la informatización de las operaciones industriales, tiene un valor práctico e
impacto económico favorables, pues permitirá reducir los tiempos de entrega, mejora
la calidad integral de los diseños y redunda en la soberanía tecnológica del país. Su
empleo, contribuirá a facilitar la toma de decisiones al realizar un análisis del diseño
propuesto o dar solución a un determinado problema en la industria.
Existe, por tanto, la necesidad de continuar realizando investigaciones en el campo de
la Industria 4.0, lo que justifica el desarrollo del presente Trabajo de Diploma titulado:
“Proceso de diseño de una pieza por conformado y su relación con los conceptos de
Industria 4.0.” como parte de los requisitos para obtener el título de Ingeniero
Mecánico.
El alcance, así como las implicaciones de esta iniciativa tecnológica mundial aún son
difíciles de cuantificar, pero se sabe que la industria 4.0 y la manufactura inteligente
optimizarán los sistemas de fabricación, acortarán el ciclo de desarrollo de nuevos
productos, reducirán los costos de fabricación y permitirán contar con procesos
productivos totalmente integrados y automatizados, con máquinas capaces de auto
administrarse y mantenerse; que proveerán información que será posible acceder
6
globalmente en tiempo real, a través del internet y diversos dispositivos móviles,
facilitando con ello la creación de redes de cooperación y colaboración; y, de igual
forma, una mejor toma de decisiones.
Sin embargo, un aspecto importante a considerar, es que para lograr esto se requiere
en primer lugar, no sólo del establecimiento de iniciativas gubernamentales, sino
además de la participación de las instituciones educativas para difundir su
conocimiento y capacitar el recurso humano con las competencias que estas nuevas
tecnologías requieren.
La tesis está constituida por tres capítulos, conclusiones, recomendaciones,
bibliografía y los anexos. En el primer capítulo se resumen los resultados de la revisión
bibliográfica sobre Industria 4.0 y ciclo de vida un producto. En el segundo capítulo, a
partir de los conocimientos asociados al proceso de diseño y desarrollo de productos,
se presenta el caso de estudio sobre uno de los componentes del retén de la bomba
de inyección de los camiones Yamz, que se obtiene por embutición cilíndrica sin
reborde. En el Capítulo 3, se valida la propuesta conceptual del diseño con el uso de
un software CAD.
7
CAPÍTULO I. Herramientas avanzadas en ingeniería
1.1 Industria 4.0
El concepto de Industria 4.0 surge como resultado de la denominada “cuarta revolución
industrial” [2], toda revolución industrial viene marcada por un acontecimiento, la
máquina de vapor provocó la primera revolución industrial en 1782, la línea de montaje
desarrollada por Henry Ford en 1913 marca el inicio de la segunda revolución
industrial, la automatización y las tecnologías de la información (TIC), dieron paso a la
tercera revolución industrial a mediados del siglo XX. Ver ANEXO I: Ilustración sobre
las transformaciones industriales hasta el concepto de Industria 4.0, según [8].
Durante la segunda década del siglo XXI, se ha ido desarrollando el concepto de
industria 4.0, a diferencia de las anteriores, no es un único hecho o característica lo
que caracteriza el concepto de industria 4.0, las cuales se pueden resumir en la
creación de una interconexión directa entre el mundo real y el mundo virtual, la cual se
produce, como aparece en [9], gracias entre otros, a la integración de varias
tecnologías (tecnologías habilitadoras) como aparece representado en la figura 1.
Figura 1. Tecnologías habilitadoras incorporadas al concepto de i4.0. Fuente:
adaptada de [10]
8
“Internet of things” (IoT), o internet de las cosas, actualmente desde los dispositivos
móviles se puede controlar desde la música que se escucha en cualquier sitio, hasta
la calefacción de las habitaciones a cientos de kilómetros, gracias a internet.
Almacenamiento en la nube, con el paso del tiempo, el almacenamiento de datos
ha pasado de una carpeta llena de papeles, a documentos guardados en un disco
duro físico, hasta llegar al almacenamiento en un espacio virtual, personal y
personalizable donde el usuario puede volcar toda la información que considere
oportuna y acceder a ella en cualquier momento y lugar vía internet, como ejemplo,
las fotos y archivos de todos los celulares se sincronizan automáticamente en la
nube.
“Virtual networks”, o redes colaborativas, ofrecen la posibilidad de controlar las
diferentes líneas de una cadena por conexión remota.
“Big data”, continuamente se están generando, enviando y procesando multitud de
datos, datos sobre la posición, velocidad, o incluso se podría llegar a obtener las
imágenes de la cámara de un determinado móvil en tiempo real. Estos datos son
tratados para detectar acumulaciones de personas, características relevantes de los
productos y procesos, etc.
Impresión 3D y fabricación aditiva, la cantidad de avances en este campo, han
conseguido que hoy en día sea posible imprimir hasta una casa.
Realidad aumentada: ofrece por ejemplo, la posibilidad de asistir a una reunión
virtualmente, sin necesidad de estar físicamente en ella, facilitando en gran medida
la creación de grupos de trabajo geográficamente dispersos.
Todas las empresas deben de ser capaces de integrar todas las herramientas que
tienen a su disposición en post del crecimiento y el desarrollo empresarial.
Industria 4.0 se refiere también en [5], a un nuevo modelo de organización y de control
de la cadena de valor a través del ciclo de vida del producto (PLM) y a lo largo de los
sistemas de fabricación, apoyado y hecho posible por las tecnologías de la
información.
9
El término industria 4.0 se utiliza de manera generalizada en Europa, si bien se acuñó
en Alemania. También es habitual referirse a este concepto con términos como
“Fábrica Inteligente” o "Internet industrial". En definitiva, se trata de la aplicación a la
industria del modelo "Internet de las cosas" (IoT), según [2]. Todos estos términos
tienen en común el reconocimiento de que los procesos de fabricación se encuentran
en un proceso de transformación digital, una "revolución industrial" producida por el
avance de las tecnologías de la información y, particularmente, de la informática y el
software.
La inteligencia de la nueva fábrica es el resultado de la convergencia de las tecnologías
de la información, su unión en un “ecosistema digital” con otras tecnologías industriales
y el desarrollo de nuevos procesos de organización. Por ello, la informática y sus
profesionales serán elementos clave en el escenario de Industria 4.0.
Esta cuarta revolución industrial, conforme aparece en [4], afectará principalmente a 5
áreas fundamentales: aviación, transporte por ferrocarril, producción de energía,
desarrollo y distribución de petróleo y gas, y, por último, cuidado de la salud. En países
de Europa, en los Estados Unidos, China y Japón, algunas empresas de estos
sectores cuentan ya con planes estratégicos a medio o largo plazo para la adopción
de dichas tecnologías y la denominada transformación digital, ver por ejemplo [11].
Dentro de los grandes desafíos asociados al paradigma Industria 4.0, aparece uno
asociado a los datos generados por redes de sensores IoT instalados en máquinas y
su adecuado procesamiento para obtener información que permita anticipar fallos y
programar el mantenimiento predictivo de los equipos.
1.1.1 Implicaciones de la industria 4.0 en la planificación y la organización de
los procesos industriales
La transformación digital en la Industria se basa en utilizar la tecnología que
actualmente están utilizando otros sectores para ganar competitividad en las
empresas, obteniendo un retorno de la inversión (ROI) basado en, mejorar procesos
operativos, crear nuevas líneas de negocio, cambiar la forma en que la empresa se
relaciona con sus clientes o empleados.
10
En la Industria 4.0, el concepto de conexión va más allá del proceso, los medios
productivos interaccionan no solo en el entorno de la fábrica, sino en toda la cadena
de valor a la que pertenecen: proveedores, clientes, logística, venta, como aparece
representado en la Figura 2.
Figura 2. Representación de la integración de la cadena de valor en i4.0. Fuente:
adaptada de [12]
En la figura 2, en la cadena de valor representada, se destaca para los intereses de
este trabajo, la fabricación o procesos de manufactura. En [5] se enfatiza la idea que
la Industria 4.0 se deben utilizar métodos digitales para la planeación y validación de
todas las etapas de fabricación, desde el desarrollo del producto hasta la planeación
de la producción y las instalaciones; para lo cual, se apoya en un conjunto de
tecnologías que no sólo facilitan la validación previa de los productos y procesos de
manufactura, sino que además, permiten reducir los tiempos de desarrollo de nuevos
productos, los costos de fabricación y los lotes de manufactura.
Esta conversión de los sistemas no es un proceso fácil de llevar a cabo, y uno de los
principales inconvenientes es el gran costo que supone cambiar de forma radical el
proceso de producción, la logística o incluso la distribución en planta de una
instalación.
11
Como aparece en la figura 1, los habilitadores digitales son el conjunto de tecnologías
que hacen posible la Industria 4.0, vinculando los mundos físico y digital.
Transformando, comunicando y creando nuevos procesos, productos y modelos de
negocio. El proceso de fabricación de productos, adquiere un nuevo y distintivo rol
mediante la utilización de la impresión 3D, el uso de software PLM, la robótica y la
participación activa de clientes, usuarios, empleados y colaboradores, según se
representa en la figura 3.
Figura 3. Interrelación entre los actores principales que intervienen en el concepto de
i4.0. Fuente: adaptada de [12]
El nuevo modelo de negocios a que se refiere en la figura 3 implica un cambio de
escenario que requiere, a su vez, un cambio en el modo en que se hacen negocios
según se representan en la siguiente Tabla 1:
12
Tabla 1. Características de los modelos de negocios. Fuente: elaboración propia
Industria 3.0 Industria 4.0
Producto tradicional Producto digital conectado
Vender activos Vender uso de activos
Fabricar bien Conocer muy bien el uso
Algunos autores han trazado un mapa de ruta para la transformación digital de la actual
empresa que implica, entre otros elementos, los que aparecen representados en la
figura 4 en relación al ciclo de mejora continua de los productos y procesos, mas
información al respecto puede consultarse en [1] .
Figura 4. Hoja de ruta crítica para la transformación digital de las actuales empresas.
Fuente: adaptada de [12]
1.1.2 Industria 4.0, guía para su introducción en la empresa
Con frecuencia, cuando se discute sobre la Industria 4.0, conforme aparece en [13],
la conversación se centra en la definición, la visión y los principios tecnológicos de la
cuarta revolución industrial. Rara vez, sin embargo, se logra sacar algo en limpio. Y
por el contrario, la falta de definiciones en torno a estas cuestiones básicas amenaza
con transformarse en una barrera para la implementación práctica de la diversidad de
ideas en el área de la Industria 4.0.
13
La Industria 4.0 involucra todas las áreas de una empresa, desde el desarrollo de
productos, pasando por su elaboración, hasta el servicio técnico y la eliminación de
desechos. Por ello, es necesario un compromiso a nivel directivo de la empresa para
la implementación de Industria 4.0 antes de iniciar cualquier paso en este sentido.
Las soluciones de i4.0 pueden implicar la introducción de modificaciones
fundamentales en el ámbito de la producción o en el diseño de los modelos de negocio.
Por ello, es necesario que exista un compromiso pleno de la dirección de la empresa
con el proceso y que se dote a los proyectos del correspondiente personal.
La primera medida que debe tomarse, según [13], es la formación de un equipo idóneo
para la conducción del proceso. Este equipo debe ser multidisciplinario y debe estar
integrado por personal de las áreas de producción y TIC, así como del departamento
de desarrollo de productos. Esta interacción es especialmente imprescindible en el
desarrollo de conceptos para la Industria 4.0, que requieren de una estrecha
vinculación entre TIC e ingeniería.
Un componente que aparece en la bibliografía para la introducción de i4.0 en la
pequeña y mediana empresa, es la caja de herramientas de la i4.0. Esta se estructura
a partir de los distintos ámbitos de aplicación posibles de soluciones de la Industria 4.0
en relación a innovaciones en el área de productos (VER ANEXO II) y de producción
(VER ANEXO III). Para cada ámbito se presentan cinco fases de desarrollo
progresivas, desde la solución pre Industria 4.0 hasta soluciones altamente
tecnológicas.
Estos dos ejes en los que se estructura la caja de herramientas servirán de punto de
partida para la clasificación de las competencias de la empresa, que posteriormente
serán la materia prima para el desarrollo de nuevas ideas.
La caja de herramientas estimula la planificación de soluciones adecuadas al nivel de
desarrollo individual. Cada empresa puede definir siempre en el contexto de sus
requerimientos y posibilidades particulares sus próximos pasos en el camino a la visión
de la Industria 4.0.
14
El área “Productos” de la caja de herramientas apoya la generación de ideas en el
desarrollo de productos innovadores en el contexto de la Industria 4.0. La caja de
herramientas puede utilizarse tanto en relación a productos completos como a
componentes de productos. La pregunta central es ¿en qué medida la Industria 4.0
puede ayudar al desarrollo de nuevos productos y/o al mejoramiento de productos ya
existentes, de manera de generar un valor agregado para potenciales clientes?
La segunda parte de la caja de herramientas se centra en temas relativos a la
producción. La reflexión en este ámbito parte de la pregunta sobre de qué manera la
Industria 4.0 puede ayudar a optimizar los procesos productivos y a disminuir los
costos de producción.
Los ámbitos de aplicación del área “Producción” de la caja de herramientas Industria
4.0 se dividen en Procesamiento de datos en la producción, Comunicación máquina a
máquina, Integración en red con la producción a nivel de la empresa, Infraestructura
de tecnologías de información y telecomunicación en la producción, Interfaces
personas-máquinas y Eficiencia en la producción de lotes pequeños.
Al igual que otros países, Cuba debe lanzar iniciativas para incorporar a las empresas
del país a la cuarta revolución industrial y acelerar el proceso de adopción. Esto incluye
la elaboración del mapa de ruta tecnológica, programas para la difusión de las
tecnologías, aplicaciones y los beneficios que es posible esperar a través de la misma;
y el establecimiento de estrategias para adoptar éstas. No obstante, deberán
redoblarse los esfuerzos para fomentar su conocimiento e impulsar su implementación.
Como resultado de la revisión bibliográfica, a continuación al autor propone en la Tabla
2, una muestra de las iniciativas que se han de ejecutar en las condiciones del país,
relacionadas con la implementación de las tecnologías digitales asociadas a los
procesos de manufactura de piezas por conformación de materiales:
15
Tabla 2. Propuesta de iniciativas para industria i4.0 asociada a procesos de
manufactura de piezas por conformación de materiales. Fuente elaboración propia
con base en [5]
Iniciativa a desarrollar Resultados esperados
Mapa de ruta cubano para i4.0 en
procesos de manufactura de piezas
por conformación de materiales
Radiografía del país (o de una
determinado territorio) y sus
perspectivas en las TIC (Modelado y
simulación por elementos finitos,
robótica, inteligencia artificial) para
aprovechar cambios tecnológicos a
través de la transformación digital
Creación de un área estratégica en
manufactura avanzada
Proyecto de sensibilización y formación
para empresarios y tecnológicos sobre
conceptos, beneficios e importancia de
transitar hacia la i4.0
Programa piloto de moldes y
troqueles
Proyecto de un programa para ofrecer
servicios de herramientas digitales de
diseño, modelado y simulación de
moldes y troqueles
Alianza i4.0
Programa de apoyo para el desarrollo
de proyectos para el sector del diseño
de moldes y troqueles
Resultados asociados
Flexibilización de los procesos productivos; mejoramiento de la calidad de los
productos, cadenas de valor dinámicas, optimizadas, uso eficiente de los
recursos, generación de valor agregado
1.1.3 Retos y oportunidades de i4.0
El punto en común de los diferentes enfoques expuestos sobre i4.0 es la
transformación digital de la industria, la cual genera beneficios, tanto para el proceso
productivo, como para el producto y el modelo de negocio:
La aplicación de las tecnologías mencionadas a los procesos productivos los hará más
eficientes (optimización de recursos energéticos o de materias primas y reducción de
costes) y flexibles (acortamiento de plazos y personalización de productos).
16
La incorporación de las tecnologías mencionadas a los productos ya existentes
mejorará sus funcionalidades y permitirá la aparición de nuevos productos. Es el
caso, por ejemplo, de los tejidos inteligentes o de la integración de la electrónica y
de los componentes digitales al automóvil, que ya representan el 45% del valor del
producto.
La Industria 4.0 posibilita la aparición de nuevos modelos de negocio, como por
ejemplo los servicios de coche compartido, gracias a la incorporación de sensores
a los vehículos, o la economía colaborativa.
La Industria 4.0, además de ventajas, también implica determinados retos, tales como:
Para el proceso productivo: adaptarse a la híperconectividad del cliente; gestionar
la trazabilidad multidimensional de extremo a extremo; gestionar la especialización
por medio de la coordinación de ecosistemas industriales de valor; garantizar la
sostenibilidad a largo plazo.
Para las fases del proceso productivo:
Diseño: usar métodos colaborativos para potenciar la innovación.
Fabricación: combinar flexibilidad y eficiencia; gestionar series y tiempos de
respuesta más cortos.
Logística: adoptar modelos logísticos inteligentes.
Distribución y atención al cliente: adaptarse a la transformación de canales y
aprovechar la información para anticipar las necesidades del cliente.
Para el producto: ofrecer productos personalizados y adaptar la cartera de
productos al mundo digital.
Para el modelo de negocio: generar nuevos modelos de negocio gracias a la
combinación de los retos descritos.
Los autores Blanco, Fontrodona y Poveda presentan en [14] una interesante matriz
DAFO de la i4.0 para la Unión Europea que se resume aquí en el ANEXO IV. Por su
parte, en [1] se ilustran esquemáticamente los principales impactos de la manufactura
17
avanzada en la industria, destacándose la disminución de recursos utilizados, aumento
de utilización de activos, mejoramiento de la productividad y condiciones laborales,
disminución de costos de inventario y aumento de exactitud en los pronósticos de
demanda.
Como principales desafíos para su implementación están por supuesto las cuestiones
de seguridad. Igualmente, la fuerte inversión en tecnología que esta transformación
requiere y las competencias del personal, ya que los trabajadores deberán adquirir un
nuevo conjunto de competencias relacionadas con el manejo y análisis de datos, la
producción asistida por computadora, simulación en línea, programación,
mantenimiento predictivo y similares.
1.2 Ingeniería concurrente
En el intento de entender cómo funciona el proceso de diseño y desarrollo del producto,
y más concretamente, en el mundo de la empresa, es necesario explicar la diferencia
entre ingeniería secuencial, ingeniería concurrente e ingeniería colaborativa.
La ingeniería secuencial o tradicional aplicada a los procesos de conformación de
materiales, según aparece en [7] es aquella que sigue una progresión lineal, la
empresa por medio del departamento de marketing recibe la oportunidad de mercado
y define las características que ha de cumplir el nuevo producto/proyecto, la
información pasa al departamento de I+D, en el cual, es una persona o un equipo
reducido los que desarrollan el nuevo producto, diseño, planos, especificaciones, etc.,
una vez finalizado, el proyecto pasa al departamento de fabricación, que se encarga
de la fase de fabricación, una vez terminado es el departamento comercial, el que se
encarga de la gestión de venta del producto.
El uso de esta ingeniería conlleva multitud de inconvenientes, como pueden ser:
- Falta de información, o información errónea al realizar el traspaso de información
entre las diferentes etapas.
- Poca integración entre las distintas etapas.
18
- Aparición de costos no esperados, debido a los cambios que afectan a varias etapas
y varios departamentos.
Por otro lado, encontramos la ingeniería concurrente, creada al final de la década de
los 80, en 1992, se crea el “Concurrent Engineering Research Center” (CERC), el cual
define ingeniería concurrente de la siguiente manera:
“Enfoque de desarrollo integrado del producto capaz de resolver las demandas de los
clientes y reforzar los valores del trabajo en equipo, como son la cooperación, la
confianza y el intercambio de datos; de manera que la toma de decisiones se realiza
en un proceso en el que las distintas áreas del ciclo de vida del producto trabajan en
paralelo, se produzca de forma sincronizada asegurando el intercambio constante de
información y basándose en el consenso.”
De la mano de la ingeniería concurrente, se encuentra la ingeniería colaborativa. La
ingeniería colaborativa, como se explicó en el epígrafe 1.1, integra mediante las
nuevas tecnologías, las distintas partes implicadas en un proyecto, proveedores,
consumidores, y distintos departamentos de la empresa para que todas ellas tomen
partida en las distintas etapas del ciclo de vida.
En la Figura 5 se resume el concepto de empresa extendida, basado en la ingeniería
colaborativa, según los postulados de i4.0 explicados en los epígrafes anteriores.
19
Figura 5. Empresa extendida según la Ingeniería colaborativa. Fuente: elaboración
propia sobre la base de [5]
En la literatura científica se pueden encontrar varios enfoques para realizar la
planeación, modelación, y conjuntamente, la optimización de las operaciones de
embutición de chapas. Actualmente, como parte de la planeación de los procesos
industriales se utilizan herramientas CAE y CAPP, para mas información sobre el tema,
consultar, por ejemplo, [15]
En la figura 5, el CAPP reduce el tiempo de planificación de procesos y el costo de
manufactura, y crea planes consistentes y precisos. La no existencia del CAD o del
CAM, o de ambos, no significa que no se pueda iniciar el desarrollo del CAPP. Por el
contrario, el CAPP es necesario, en primer lugar, porque las máquinas convencionales
siguen siendo mayoría en la producción de piezas, aun en los países desarrollados, y
porque su desarrollo prepara a los recursos humanos para una rápida asimilación del
CAD/CAM, y va creando las condiciones materiales para ello.
20
1.2.1 Ingeniería concurrente en los procesos de embutición cilíndrica de chapas
sin reborde
En los procesos de embutición, como se explica en [7], la calidad de la pieza queda
determinada, entre otros factores por la variabilidad en las propiedades del material de
la chapa, el material de las herramientas, cambios geométricos en la herramienta
debido al desgaste, variaciones en las condiciones superficiales, holguras,
propiedades del material de la herramienta, temperatura, fuerza en el prensachapas,
velocidad del punzón, localización de la herramienta y la rigidez de la prensa, entre
otras.
La embutición es el procedimiento más complejo desde el punto de vista físico
mecánico; permite obtener una pieza en forma de recipiente a partir de chapas planas.
La deformación por embutición es una tecnología de conformado de chapa metálica
que permite la fabricación de grandes series de piezas de geometrías simples y
complejas a partir de herramientas denominadas troqueles montados sobre una
prensa.
Tradicionalmente, la planificación de un proceso de fabricación se basa en la
experiencia y se ha realizado manualmente. En un sistema de producción
convencional, un plan de estas características se crea por un planificador de procesos
(tecnólogo) quien estudia una nueva pieza, modelo o plano (dibujo), y entonces
determina los procedimientos apropiados para producirla. La experiencia previa del
planificador es decisiva para el éxito del plan. La planificación manual tiene muchos
problemas, aunque puede ser útil para pequeños talleres que fabrican pocas piezas.
La variabilidad entre los criterios del planificador y la experiencia pueden desembocar
en diferentes percepciones sobre cuál es el método óptimo para la producción. Esto
se manifiesta en el hecho de que, en las fábricas, a veces, se encuentran varios planes
de procesos diferentes para la misma pieza, lo que indica inconsistencia y tiempo de
trabajo perdido. Lo cual contradice los criterios básicos expuestos en los epígrafes
anteriores.
21
Para convertir un concepto o idea en un producto conformado, se pasa por dos
procesos principales, el de diseño y el de fabricación, ver figura 6. El proceso de diseño
se puede dividir en dos etapas: de síntesis, en la que se crea el producto y otra etapa
de análisis en la que se verifica, optimiza y evalúa el producto creado. Una vez
finalizadas estas se aborda la etapa de fabricación en la que, en primer lugar, se
planifican los procesos a realizar y los recursos necesarios, pasando después a la
fabricación del producto.
Figura 6. Diagrama de flujo para la planeación de un proceso de troquelado de
chapas en un ambiente de ingeniería concurrente. Fuente: Adaptada de [16]
Durante la planificación de la producción (CAP), se establece el programa director de
la producción, donde se precisan las piezas que serán fabricadas, el momento en que
entrarán en producción y la secuencia del equipamiento tecnológico por la que
transitarán en el taller. La planificación del proceso (CAPP) se cumple al definir: tipo
de proceso y tecnología que se va a emplear, la descripción detallada del
procedimiento a seguir en cada operación tecnológica, la máquina, el herramental y
accesorios que se utilizarán, la selección del personal que participará en el proceso,
entre otros aspectos.
Específicamente durante la planificación inicial del proceso para la embutición de
piezas en chapas con troqueles, hay que cumplir tres tareas claramente diferenciadas:
1. El cálculo de la superficie disponible inicial.
2. La definición de los elementos constructivos de la herramienta.
22
3. Selección de los elementos normalizados.
Otro aspecto fundamental que desarrollar en esta etapa son los planos de los
componentes y piezas, tan importante es realizar el diseño del objeto como
documentar este sobre planos. Los planos representan todas aquellas restricciones
geométricas y dimensionales para tener en cuenta en el producto, es cierto que, en la
actualidad, para la mayoría de las gestiones únicamente se hace uso del documento
3D.
Cualquier proceso de fabricación lleva asociada una tolerancia, por lo que, a la hora
de diseñar un nuevo producto, has de ser capaz de identificar primero, cuáles van a
ser las cotas críticas del producto, aquellas de las cuales dependa el montaje o el
resultado final, una vez identificadas, el siguiente paso será definir la tolerancia
admisible para dichas cotas, así mismo, para todas las demás restricciones será
necesario indicar una tolerancia general.
Según [17], existen tres métodos básicos para acometer la tarea de elaborar
tecnologías. Estos incluyen el método manual tradicional, el método de variantes
asistido por computadora y el método de generación computarizado, este último propio
de la ingeniería colaborativa y mas cercano al concepto de i4.0. Un sistema de
planificación generativa de procesos tecnológicos comprende tres componentes
principales: la descripción de la pieza; la base de datos sobre manufactura; y la lógica
de toma de decisiones y algoritmos (conocimientos sobre fabricación o manufactura).
1.3 Conclusiones parciales del Capítulo I
1. La revisión bibliográfica sobre i4.0 demuestra que esta representa una evolución de
los sistemas de producción industrial, que por primera vez en la historia, se plantean
para qué y cómo utilizar todos los avances tecnológicos para adelantarse a los
mercados y las formas de demanda que se vaticinan para años próximos, lo que es
un tema de actualidad al nivel nacional e internacional.
2. La mayoría de los autores consultados sostienen que la i4.0 tiene una concepción
holística de la tecnología en sentido que incorpora las TIC, digitalización y
23
virtualización para poder definir qué y cómo se produce, para poder llevarlo a la
práctica, reduciendo tiempo, errores y costos.
3. Muchas empresas todavía no tienen claros ni los objetivos ni las ventajas de las
soluciones de la Industria 4.0 y, por lo mismo, no se deciden a sumarse a esta
llamada cuarta revolución.
4. La Industria 4.0 involucra todas las áreas de una empresa, desde el desarrollo de
productos, pasando por su elaboración, hasta el servicio técnico y la eliminación de
desechos. Por ello, es necesario un compromiso a nivel directivo de la empresa
para la implementación de Industria 4.0 antes de iniciar cualquier paso en este
sentido.
5. En el futuro es de esperar que los sistemas de fabricación ciberfísicos (CPPS),
(elementos y subsistemas autónomos, cooperativos e interconectados en todos los
niveles de la producción) dominen la manufactura; estén integrados en máquinas y
productos; y al mismo tiempo combinen capacidades de cómputo, trabajo en redes
y procesos físicos dentro de los procesos de fabricación.
6. Al igual que otros países, Cuba debe lanzar iniciativas para incorporar a las
empresas del país a la cuarta revolución industrial y acelerar el proceso de
adopción. Esto incluye la elaboración del mapa de ruta tecnológica, programas para
la difusión de las tecnologías, aplicaciones y los beneficios que es posible esperar
a través de la misma; y el establecimiento de estrategias para adoptar éstas. No
obstante, deberán redoblarse los esfuerzos para fomentar su conocimiento e
impulsar su implementación.
7. Los sistemas integrados de fabricación se ven afectados seriamente por la falta
generalizada de los sistemas CAPP, que trabajen conjuntamente con el resto de
aplicaciones CAD y CAE, para obtener mayor rendimiento del sistema productivo.
Esta carencia, además de dificultar la integración, supone un escaso
aprovechamiento de las ventajas de la computación en estas tareas.
8. La revisión bibliográfica sobre los procesos de embutido demuestra que es un tema
de actualidad al nivel nacional e internacional. La complejidad física mecánica del
24
proceso de embutición se debe a la existencia de estados tensionales y de
deformación complejos y la presencia de variables tecnológicas de importancia para
la lograr una pieza satisfactoria. Entre estas variables sobresalen: radio del punzón,
radio de la matriz, fuerza en el punzón, relación de embutición, fuerza en el
prensachapas, juego de embutición.
25
CAPÍTULO II. Proceso de diseño de la pieza embutida
2.1 Ciclo de Vida del Producto (PLM)
Durante el apartado introductorio se hizo referencia al ciclo de vida del producto.
Numerosos estudios se han realizado a lo largo del tiempo sobre las distintas etapas
del producto a lo largo de su vida, en la figura 7 se presenta un resumen de esos
enfoques.
Figura 7. Representación de las etapas del ciclo de vida de un producto. Fuente:
elaboración propia.
Para interés de este Trabajo de Diploma se hará énfasis en las etapas de fase inicial
y diseño conceptual y diseño en detalle de la figura 7. La fase inicial o fase de análisis:
consiste en definir el producto o proyecto que se va a acometer, y una vez este esté
definido, en esta primera etapa se van a realizar una serie de estudios preliminares
acerca del producto. En el diseño conceptual, se establecen las primeras
consideraciones de diseño y requisitos que se han de tener en cuenta para el
desarrollo del producto final, tipo de herramienta, selección de la prensa, sistema de
alimentación y otros. En el diseño en detalle, se diseñan y seleccionan los elementos
activos y pasivos de la herramienta y se analizan las posibles interferencias en el
movimiento.
Ciclo de vida del producto
Fase inicial o fase de análisis
Diseño conceptual
Diseño de detalle
Etapa de fabricación o producción
Fin de vida y retiro
26
La integración en estas tres fases de diseño de proveedores, clientes, y los distintos
departamentos, requiere de una tecnología de soporte, que permita una fácil e intuitiva
gestión de la información, permitiendo a los distintos implicados trabajar en equipo
inclusive sin tener que estar físicamente en el mismo lugar, todo esto es gestionado a
través de un software de gestión de datos asociados al ciclo de vida del producto, PLM.
De las figuras 2, 3 y 4 del epígrafe 1.1, se infieren dos conceptos importantes, así como
el impacto que las TIC tienen sobre cada uno de ellos: la gestión del ciclo de vida del
producto (PLM) y la gestión de los datos asociados al producto (PDM).
Conforme aparece en [18], es bastante común confundir PLM con PDM, un software
PDM (Product Data Management), gestión de los archivos del producto, es aquel que
gestiona los distintos tipos de datos/archivos asociados al producto, registrando las
distintas revisiones creadas, gestionando los distintos permisos de cada usuario, y
asegurando que este trabaja siempre con la última versión actualizada del documento.
Por otro lado, se encuentran los software PLM (Product Lifecycle Management, gestión
del ciclo de vida del producto), son aquellos que integran en un entorno virtual la
gestión de todos los datos y archivos relacionados con el ciclo de vida del producto,
hoy en día un software PLM ya incluye su propio software PDM interno.
El software PLM incluye todo lo relacionado con la gestión de datos del producto, así
como la gestión del proyecto característicos de un software PDM, y además se
aprovecha de toda esta información para mediante un entorno virtual simulado,
integrar las distintas fases del ciclo de vida del producto que tienen que ver con: ventas,
marketing, producción.
En resumen, un software PLM sería capaz de llevar el solo la gestión del ciclo de vida
del producto, que cantidad de material ha de llegar a las cadenas, cantidad de material
de subcomponente pedir, etc. Pero es muy importante que siga siendo una
herramienta en manos de personas, y no que las personas sean las herramientas del
sistema, es decir, si de repente por cualquier motivo un subcomponente se va a
cambiar, o mejorar, todos estos cambios se han de comunicar con certeza al software,
de lo contrario cuando este detecte falta de material enviará la orden al proveedor para
traer más, en todo momento el software aunque de un modo automático deberá de
27
hacer todo aquello que la organización establezca oportuno. Es el software el que tiene
que estar al servicio del usuario, y no el usuario al servicio del software.
Dentro de un software PLM, se pueden encontrar diferentes herramientas que
ayudarán a coordinar todos los aspectos que se han mencionado con anterioridad,
estas herramientas están resumidas en la Tabla 3:
Tabla 3. Bloques de funcionalidad PLM. Fuente: adaptada de [18]
Herramienta Aplicaciones
Herramienta para la definición del
producto y procesos asociados
Software CAD/CAM/CAE/… para la
realización de maquetas y prototipos
virtuales
Herramientas para la interacción
(CSCW)
Videoconferencia, pizarras electrónicas o
incluso software de realidad virtual
Herramientas para la coordinación Workflow, planificación y gestión de
proyectos
Herramientas para la gestión de datos
del producto (PDM)
Vaulting, acceso basado en roles y
maduración de los datos
La parte más importante de este trabajo es el diseño de un componente del retén de
la bomba de inyección de los camiones Yamz, que se obtiene por embutición cilíndrica
sin reborde. Para la obtención del plano de la pieza y el diseño de los componentes
activos de la herramienta, fue necesario hacer uso de una herramienta CAD de diseño.
En la actualidad, los distintos fabricantes de estas herramientas suelen poseer varios
programas en función de la complejidad del programa, en la Tabla 4 se presentan
algunos de los distintos programas que existen actualmente en el mercado:
28
Tabla 4. Software de diseño disponibles en el mercado. Fuente: Elaboración propia.
PTC AUTODESK SIEMENS DASSAULT
Avanzado PTC Creo Siemens NX Catia
Intermedio Autodesk
Inventor
Siemens
SolidEdge
Solidworks
Básico Autodesk
Supermanager
Siemens Parasolid Dassault
Spatial
Durante la realización del proyecto, se utilizará la herramienta Solidworks de Dassault
Systèmes por adaptarse a los requerimientos del diseño.
SolidWorks es un software CAD (diseño asistido por computadora) para modelado
mecánico en 2D y 3D, desarrollado en la actualidad por SolidWorks Corp., una filial de
Dassault Systèmes, S.A. (Suresnes, Francia), para el sistema operativo Microsoft
Windows.
Ejemplo de software PLM es 3DEXPERIENCE de Dassault Systèmes, que no posee
un programa CAD, ni CAM, ni CAE al uso, sino que posee multitud de
aplicaciones/programas en función de la tarea que se va a desempeñar.
2.2 Fase inicial o fase de análisis: definición de la pieza a embutir
La pieza (ver figura 8) es un componente del retén de la bomba de inyección de los
camiones rusos Yamz, de uso mayoritario en las Fuerzas Armadas Revolucionarias
de Cuba. Se fabricará de chapas de acero al carbono, espesor 1 mm, específicamente
del material ASTM 1020, a solicitud del cliente. Con este material se garantizan las
funciones para las cuales la pieza está concebida, posee un bajo contenido bajo de
carbono (ver tabla 5), apto para los procesos de conformación por embutición.
El análisis de la simulación del comportamiento de la pieza embutida , en 2D, por
elementos finitos de pieza similar, fue realizado en [19]. Lo que viene a complementar
la etapa de análisis de la fabricación de la figura 7.
29
El plano del conjunto al cual pertenece la pieza a embutir con el resto de los
eelementos se muestra en el ANEXO V. A continuación, en la figura 8, se muestra un
detalle de la misma.
a)
b)
Figura 8. a) disco embutido. b) Detalle del retén de la bomba de inyección del camión
Yamz. Fuente: cortesía del Centro de Investigación y Desarrollo “Perspectiva”
Tabla 5. Composición química del acero 1020. Fuente: adaptada de [20]
Composición Química (%
del total) Min (%del total) Max (% del total)
C Si MN P S Cr Ni Mo V Ta
0.18-
0.23
0.30-
0.60 ≤0.040 ≤0.050
W N Cu Co Pb B Nb Al Ti Otros
30
Las propiedades mecánicas del material se listan a continuación en la tabla 6.
Tabla 6. Propiedades mecánicas del acero 1020. Fuente: adaptada de [20]
2.3 Diseño conceptual la pieza
Determinación del diámetro inicial del semiproducto
El cálculo del diámetro del semiproducto necesario para embutir una pieza, no es más
que determinar las dimensiones de la chapa plana que tenga el mismo volumen que
el de la pieza a obtener. En este cálculo se parte de la hipótesis de que el espesor no
varía durante la embutición, será suficiente buscar la igualdad entre la superficie de la
pieza y la del semiproducto.
Propiedad Valor Unidades
Módulo elástico 205000 N/mm^2
Coeficiente de Poisson 0.29 N/D
Módulo de Young´s 210 Gpa
Yield Stress 200 MPa
Módulo cortante 80000 N/mm^2
Densidad de masa 7870 kg/m^3
Límite de tracción 420 N/mm^2
Límite de compresión N/mm^2
Límite elástico 350 N/mm^2
Coeficiente de expansión térmica 1.17e-005 /K
Conductividad térmica 51.9 W/(m·K)
Calor específico 486 J/(kg·K)
Cociente de amortiguamiento del
material
N/D
31
El croquis del producto final del embutido que se va realizar, es un cilindro de diámetro
interior, según figura 8 a), donde (d), altura (h) y radio de fondo (r) (Ver figura 8).
Según el plano de la pieza que aparece en el Anexo V, el diámetro inicial en el
semiproducto (D) se puede calcular igualando las áreas iniciales y finales de la pieza
embutida y el disco inicial así, según recomendaciones de [21] y [22], se calcula el
diámetro del semiproducto o de desarrollo de la pieza mediante la siguiente ecuación:
D=√d2 + [4 . 𝑑 . (ℎ + 0.57 𝑥 𝑟)] (1)
Dónde:
D - Diámetro inicial del semiproducto.
d - Diámetro interior en la pieza final, 95 mm
h – altura final en la pieza, 9.75 mm
r - Radio de redondeo del fondo de la pieza, 1mm
Sustituyendo los valores de d, h y r en la ecuación (1)
D=√952 + 4 x 95 x (9.75 + 0.57 x 1
se obtiene que diámetro del semiproducto es de:
D=113.78 mm
32
Asumiendo por razones prácticas que:
D=114 mm
Cálculo de la sobremedida para el corte del semiproducto
A consecuencia de la heterogeneidad del metal, la arista superior de la pieza no queda
uniforme después del embutido. Por lo que en ocasiones, se recomienda cortar el
semiproducto teniendo en cuenta una sobremedida obtenida mediante la tabla 7.
Tabla 7. Sobremedida para el corte del semiproducto. Fuente: adaptada de [22]
Sustituyendo los datos de entrada de la tabla y mediante una iteración se obtiene la
sobremedida ∆H = 1.5 mm.
Por lo que la verdadera magnitud a la que se debe cortar la altura del semiproducto es
11.25 mm.
Determinación del número de embuticiones.
La determinación del número de operaciones, junto a la del diámetro del disco de
partida son dos de las cuestiones más importantes de los procesos de embutición. La
necesidad de realizar el embutido en dos o más pasos viene determinada por la
imposibilidad de que el material pueda resistir la elevada tensión radial a la que es
sometido durante el proceso de embutición debido a la relación existente entre el
diámetro inicial del disco y el diámetro del recipiente a embutir.
Para determinar la cantidad de embuticiones nos auxiliaremos de la tabla 8,
recomendada en [22] y de las siguientes ecuaciones:
33
Se calcula el diámetro del primer embutido mediante la ecuación:
d1 = m x D (2)
Dónde:
d1 - Diámetro del primer embutido.
m - Coeficiente de embutido para acero de embutición (0.65). (Ver tabla 6)
D - Diámetro del semiproducto. (Calculado con anterioridad en la ecuación (1)
Sustituyendo los valores de m y D en la ecuación 2 se obtiene que el diámetro del
primer embutido es de: 74.1 mm
Tabla 8. Coeficientes de embutido. [11]
Se calcula la altura del primer embutido despejando h de la ecuación 1.
h = D
2 + d
2
4 x d1 - 0.57 x r (3)
Sustituyendo los valores de D, d1 y r en la ecuación 3 se obtiene que la altura del primer
embutido es de: 24.75 mm
Estos valores obtenidos son los valores mínimos de diámetro interior y la altura máxima
de la pieza que se pueden obtener en la primera operación. Cómo el diámetro interior
deseado del embutido final es de 95 mm y la altura de 9.75 mm es recomendado
realizar el embutido en una sola operación ya que las características geométricas de
la pieza lo permite, además hacer la piezas en múltiples pasos conllevaría a múltiples
troqueles lo que encarecería el costo de su producción.
34
Diseño de matriz y punzón. Radio de la Matriz.
El radio de la matriz debe ser cuidadosamente estudiado y algunos autores afirman
que su valor oscilará entre 3 y 8 veces el espesor de la chapa (s) [23], otros disminuyen
el rango a 4 y 6 veces el espesor [24].
Por lo tanto, como el espesor de la chapa es de 1 mm, se asume que el radio de la
matriz será de 4 mm.
Radio del punzón.
En cuanto al radio del punzón debe adaptarse progresivamente a la forma del
recipiente embutido, pero en todo caso, no conviene que sea inferior al espesor de la
chapa [23].
Se recomienda en [25] que en troqueles de embutidos de una sola operación sin
adelgazamiento de las paredes de piezas redondas, el radio del punzón sea igual al
radio de la pieza (para la pieza en cuestión r = 1 mm).
Agujero de salida de aire del punzón.
El agujero para la extracción de aire de la pieza embutida del punzón se recomienda
que sea entre un 6 y 8 por ciento del diámetro del punzón. Se realizó el cálculo del
diámetro del agujero del punzón para la extracción de aire de la pieza para un 8%
dando como resultado:
Diámetro del agujero dagu = 7 mm
Juego de embutición.
Por lo general, el juego se calcula mediante la siguiente ecuación: [11]
Mz=s + 0.07 x a x √10 x S (4)
Dónde:
s - Espesor de la chapa. (1 mm)
a - Coeficiente de dureza de chapas. (1.4 para chapas duras)
35
Sustituyendo los valores de S y a en la ecuación 4 se obtiene que el juego es de
Mz= 1.3 mm.
Dimensiones de la matriz y el punzón
Se determinó el diámetro de la matriz y el punzón mediante las ecuaciones siguientes,
adaptadas de [21, 23, 26]
Dm = (d) + δm (5)
Dp = (d - Mz) - δp (6)
Dónde:
Dm - Diámetro de la matriz.
Dp - Diámetro del punzón.
d - Diámetro interior de la pieza. (95 mm)
Mz - Juego total entre la matriz y el punzón. (1.3 mm)
+ᵟm - Tolerancia de fabricación de la matriz.
+ᵟp - Tolerancia de fabricación del punzón.
Sustituyendo los valores de d y Mz en las ecuaciones (5) y (6) se obtiene que el
diámetro de la matriz y del punzón respectivamente es de:
Dm = 95 H7 (+0.054) mm
Dp = 93.7 h7 (-0.037) mm
36
Cálculo de la presión del pisador
El cálculo de la fuerza del pisador, según [21, 23, 26], se hará mediante la siguiente
ecuación:
Pp=0.785 x (D2-d
2) x p (7)
Dónde:
Pp - Presión del pisador.
D - Diámetro del semiproducto. (114 mm)
d - Diámetro interior de la pieza. (95 mm)
p - Presión específica. (1 MPa)
Sustituyendo en la ecuación 8 los valores de D, d y p, se obtiene que la fuerza a aplicar
en la chapa con el pisador es de
Pp= 3.1 t (31 kN)
Cálculo de la fuerza de embutición
El cálculo de la fuerza de embutición se hará mediante la ecuación [22, 23]:
Fe = d . π . s . k . f (8)
Dónde:
Fe - Fuerza de embutición.
d - Diámetro interior de la pieza. (95 mm)
S - Espesor de la chapa. (1 mm)
k - Resistencia de la chapa. (50 Kg/mm2. Acero Ac20)
f - Factor de relación de embutición. (Ver tabla 9)
37
Tabla 9. Factor de relación de embutición. (f). Fuente: adaptada de [22]
d/D = 0.8 f = 0.4
Sustituyendo los valore de d, S, k, y f en la ecuación 8 se obtiene que el valor de fuerza
de embutición es de Fe = 6 t (60 kN).
Fuerza total de embutición
Ft=Pp+Fe=31+60
Ft=91 KN
Para faciltar el trabajo de los diseñadores, en la Tesis se propone una hoja de cálculo
en Excel para esta etapa del diseño que contiene el cálculo de cada uno de los
parámetros arriba calculados. Esto constituye un aporte técnico importante en la
automatización de las tareas de diseño. En el Anexo VI se presentan los cálculos para
la pieza analizada en el trabajo.
2.4 Conclusiones parciales del Capítulo II
1. El estudio analítico de los procesos de embutición de chapas demuestra que hasta
el momento no existe una expresión analítica que describa las relaciones
funcionales entre los parámetros tecnológicos del proceso y el dimensionamiento e
integración de los elementos constitutivos de la herramienta.
2. Los software PLM son aquellos que integran en un entorno virtual la gestión de
todos los datos y archivos relacionados con el ciclo de vida del producto, hoy en día
un software PLM ya incluye su propio software PDM interno.
3. Se calcularon a partir de las fórmulas empíricas y recomendaciones de los
especialistas los principales parámetros de la definición de la pieza y su diseño
conceptual.
38
4. Se confeccionó una hoja de cálculo en Excel para la determinación de los
parámetros de la pieza embutida como ayuda importante al tecnólogo.
39
CAPÍTULO III. Análisis de resultados
3.1 Fase de diseño en detalle
Materiales del troquel
Para la selección del tipo material de cada elemento del troquel de embutición (Tabla
10), se contó con la experiencia de los diseñadores del Centro de Investigación y
Desarrollo (CID) “Perspectiva”, además de la revisión bibliográfica.
Tabla. 10 Materiales de los elementos del troquel. Fuente: elaboración propia.
Conjunto superior Material
seleccionado
Material
sustituto
Placa superior 45 35
Buje 18XGT 20X
Punzón 9XBG X12M
Porta punzón 45 40
Conjunto inferior
Placa inferior 45 35
Columnas guías 18XGT 20X
Matriz X12M 9XBG
Selección y dimensionamiento del conjunto inferior del troquel.
Dimensiones de la porta matriz, página 53 del texto[21]. Además, se contó con el
conocimiento empírico de los especialistas. Material: Acero 45
Tabla 11 Dimensiones de la porta matriz. Dimensiones en mm. Fuente: elaboración
propia.
b1 l1 s3 e1 e2 e3
240 320 10 210 220 180
40
Figura 9. Porta matriz. Fuente: elaboración propia.
Matriz.
Dimensiones de la matriz se tomaron de los apuntes para el diseño de troqueles de
corte y experiencia de los especialistas.
Tabla 12. Dimensiones de la matriz. Fuente: elaboración propia.
Dimensiones de las matrices
redondas(D)
Diámetros Max. Del
agujero de trabajo.
135 95
41
Figura 10. Matriz de embutición. Fuente: elaboración propia.
Dimensionamiento de la placa base.
Las dimensiones de la base inferior, según catalogo portamatrices. Material: Acero
45.
Tabla 13. Dimensiones de la placa base. Dimensiones en mm. Fuente: elaboración
propia.
B A c1 a1
350 400 47 312
42
Figura 11. Placa inferior. Fuente: elaboración propia.
Dimensionamiento de las columnas guías.
Las dimensiones de las columnas se seleccionaron por la NEFA-13-08.
Tabla 14. Dimensiones de las columnas guías. Dimensiones en mm.Fuente:
elaboración propia.
b1 a s e1
240 250 27 180
43
Figura 12. Columna guía. Fuente: elaboración propia.
Selección del punzón.
La forma y dimensiones del punzón se realizaron según experiencia aportada por los
especialistas.
Figura 13.Punzón de embutición. Fuente: elaboración propia.
3.2 Consideraciones económicas
El presupuesto elaborado engloba las tareas referentes al diseño, seguimiento del
troquel y asistencia a las pruebas. Se establece un costo promedio de 20 pesos
44
moneda total por horas según el servicio de ingeniería para las empresas en
perfeccionamiento empresarial. Este costo englobaría la amortización de licencias de
software, amortización de medios productivos para realizar las tareas de diseño, como
son los ordenadores, y el sueldo del personal. Estas son cifras indicadoras. La Tabla
15 muestra el desglose de costos según las tareas realizadas en el proyecto.
A partir de la elaboración de la ficha de costo se pudo saber cuánto cuesta en Cuba el
diseño de un troquel de embutición simple para el encargo; que asciende a 5160,00
pesos en moneda tota (CUP+CUC). Por tanto, su diseño en Cuba implica un ahorro
significativo. Y más que eso es una alternativa de producción nacional con
posibilidades de interactuar con el lineamiento 237 que plantea “incrementar las
exportaciones de la industria metalmecánica, diversificando los mercados y
aprovechando al máximo las posibilidades del comercio Sur-Sur…” [27]
Tabla 15. Elementos de costo promedio para las actividades de diseño y gestión del
proyecto. Fuente: elaboración propia.
CONCEPTO PRECIO/HORA TOTAL TOTAL
Moneda total HORAS
Analisis del plano de la pieza 20,00 8 160,00
Comorobación requisistos técnicos 20,00 16 320,00
Simulacion CAE de procesos criticos de conformado de la chapa 20,00 0 0,00
Dimensiones generales. Calculo fuerza de embutición 20,00 16 320,00
Elección de elementos comerciales 20,00 10 200,00
Diseño básico de los componentes de la matriz 20,00 16 320,00
Diseño de detalle de la parte inferior 20,00 16 320,00
Diseño de detalle de la parte media 20,00 0 0,00
Diseño de detalle de la parte superior 20,00 16 320,00
Revision del diseño (interferencias y movimientos) 20,00 24 480,00
Lista de materiales y planos 2D 20,00 24 480,00
TOTAL DE INGENIERÍA 146 2920,00
Precio Moneda total 2920,00
Precio CUP 2628,00
Precio en CUC 292,00
Seguimiento de la fabricación y montaje de la matriz 40,00 32 1280
Pruebas de la matriz y puesta a punto 60,00 16 960
TOTAL GESTION PROYECTOS 48 2240
TOTAL DE LA ACTIVIDAD 194 5160
Precio Moneda total 5160,00
Precio CUP 4644,00
Precio en CUC 516,00
45
3.3 Conclusiones parciales del capítulo III
1. El cálculo de los parámetros técnicos de la operación de embutición se tomó como
base para la fase de diseño en detalles de los elementos activos de la herramienta.
2. Los criterios de diseño utilizados en cuanto a las dimensiones de la matriz y el
punzón toman en consideración los procedimientos de cálculo de troqueles
establecidos en la industria y responden a las necesidades constructivas de la
herramienta.
3. La información relativa a los modelos 2D de las piezas fueron posibles con ayuda
de un software de mecánica general, lo cual garantiza una mayor calidad y fiabilidad
del diseño, a la vez que disminuye el tiempo de entrega del proyecto.
4. A partir de la elaboración de la ficha de costo elaborada se calculó el costo de las
actividades de diseño del troquel de corte en Cuba para el encargo, que asciende a
5160,00 pesos en moneda tota (CUP+CUC).
46
CONCLUSIONES GENERALES
1. En el trabajo se organizó y estructuró la información relativa a los conceptos de
Industria 4.0, manufactura inteligente, ciclo de vida del producto y diseño de piezas
embutidas, como primer paso relacionar esos conceptos en las condiciones de la
producción nacional. Quedó demostrado que es un tema actual y de interés para
los investigadores, ratificándose la actualidad y justificación del trabajo.
2. Como una debilidad importante en la asimilación de los conceptos de i4.0 se
destacan, según la revisión biográfica: la debilidad en el sistema de innovación de
las empresas y ministerios, carencias de información asociadas a los procesos,
relaciones de confianza y de intercambios de conocimientos (tácito y codificado)
entre los agentes protagónicos del sistema de producción (empresarios,
comunidad científica, administradores, organizaciones intermedias, sociedad civil).
3. Es necesario establecer estrategias que permitan acompañar a las empresas en el
proceso de implementación; esto, mediante la formación de consultores
especializados; y de una estrategia nacional que contribuyan a facilitar este proceso
y a crear toda la infraestructura de apoyo, que se requiere para incursionar en la
misma como son las cuestiones de ciberseguridad y de comunicación.
4. El uso del software de mecánica general reduce el tiempo de diseño entregando
mayor fiabilidad, pero no excluye los conocimientos de ingeniería del diseñador, que
fueron necesarios para realizar los cálculos, así como la selección de materiales,
selección de prensa, establecer las relaciones geométricas y tolerancias permisibles
para cada una de las piezas diseñadas.
5. A partir de la realización de este análisis económico se puede evidenciar que es
factible el diseño de este tipo de herramental en el país, ya que, aunque su costo
sea elevado, su valor es inferior al de troqueles similares comprados en el
extranjero, los cuales se encuentran alrededor de los 20 000€, sin contar la puesta
en marcha y los fletes.
47
RECOMENDACIONES
Se recomienda en primer lugar, el establecimiento paulatino de iniciativas
gubernamentales a fin de ir introduciendo en el país los conceptos de Industria 4.0, al
mismo tiempo, la participación de las instituciones educativas para difundir su
conocimiento y capacitar el recurso humano con las competencias que estas nuevas
tecnologías requieren.
48
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Mecánica e Industrial. Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad
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Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Central “Marta Abreu” de
Las Villas, Santa Clara. Villa Clara. Cuba, 2013.
50
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Central “Marta Abreu” de Las Villas, Santa Clara. Villa Clara. Cuba, 2019.
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[24] N. Grigorov, Guía para la proyección de troqueles de estampado en frio Santa
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[25] L. Schaeffer, Conformação de Chapas Metálicas. Porto Alegre. Rio Grande do
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[26] O. Oehler, Herramientas de troquelar, estampar y embutir. Barcelona: Gustavo-
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[27] República-de-Cuba, "Lineamientos de la política económica y social del Partido
y la Revolución," ed. La Habana: Gaceta-Oficial-de-la-República-de-Cuba,
2011.
51
vii
ANEXOS
Anexo I. Ilustración sobre las transformaciones industriales hasta el concepto
de Industria 4.0. Fuente: Adaptada de [8]
viii
Anexo II. Caja de herramientas Industria 4.0, PRODUCTOS. Fuente: Adaptada
de [13]
ix
Anexo III. Caja de herramientas Industria 4.0, PRODUCCIÓN. Fuente: Adaptada
[13]
x
Anexo IV. Matriz DAFO para i4.0 en la Unión Europea. Fuente: Adaptada de [14]
xi
Anexo V. Plano del retén regulador, bomba de inyección camión Yamz