INTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN INGENIERÍA AERONÁUTICA

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1 INTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN INGENIERÍA AERONÁUTICA SIMULACIÓN EN PLM COMO METODOLOGÍA EN EL DESARROLLO DE MOLDES PARA PALAS DE AEROGENERADOR TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN AERONÁUTICA PRESENTAN: MIGUEL ANGEL RODRÍGUEZ ANDRADE NÉSTOR EDUARDO RUEDA DON JUAN ACESORES DE TESIS: ING. ABEL HERNÁNDEZ GUTIÉRREZ LIC. DAVID TORRES ÁVILA MÉXICO D.F., ENERO DE 2012

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3 Agradecimientos A Diana, por su insondable apoyo e inagotable paciencia por maravillarme y acercarme a la ciencia con sus cohetes caseros por haber creído en mi más que nadie en el mundo. Gracias mamá. Miguel.

4 Queremos agradecer a nuestros asesores, el Ing. Abel Hernández Gutiérrez y el Lic. David Torres Ávila, y a nuestro profesor, el Ing. Juan Carlos Torres Ávila, por habernos apoyado en este trabajo. Queremos agradecer también al Ing. Miguel Álvarez Montalvo por el apoyo brindado en el proyecto Aerodesign el cual nos ha abierto tantas puestas. Y por último queremos manifestar nuestro agradecimiento a la ESIME U.P. Ticomán por habernos acogido durante 4 de los mejores años de nuestras vidas y al IPN por dotarnos de esa visión de la que somos orgullosamente portadores y ese innegable potencial que nos caracteriza como Politécnicos con lo cual, entre muchas otras cosas, tenemos la capacidad de hacer un uso responsable y sustentable del conocimiento. LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA

5 TITULO: Simulación en PLM 1 como metodología en el desarrollo de moldes para palas de aerogenerador OBJETIVOS Objetivo General: Emplear el proceso de Administración de Ciclo de Vida del Producto (PLM) en el desarrollo (concepción, diseño, fabricación, servicio y eliminación) del molde herramental para la producción de palas de aerogenerador fabricadas de material compuesto. Objetivos Particulares: Proponer y validar el proceso de Moldeo por Transferencia de Resina (RTM 2 ) para la fabricación de las palas de aerogenerador, gestionado en su totalidad por medio del PLM. Esto se realizará a través de la simulación de los procesos de manufactura, tanto (1) el mecanizado del molde herramental, así como (2) la fabricación de la pala de aerogenerador a través de dicho método. Realizar un análisis de elemento finito haciendo uso de las herramientas de software integradas a la plataforma PLM. Llevar a cabo un estudio de factibilidad económica para la validación del proceso en este mismo sentido. JUSTIFICACIÓN: En la actualidad, el uso de la metodología PLM es ya bastante amplio en la industria de transformación en general, y sigue expandiéndose vertiginosamente. El creciente interés por el uso de esta metodología (que forma parte, dentro de una corporación, como uno de los cuatro pilares de la infraestructura de tecnologías de la información 3 ) recae en la necesidad de reducir el tiempo de desarrollo y validación de prototipos y procesos de fabricación en los que se incurren durante la toma de decisiones dentro de la industria; así como en la imperante necesidad de tener un eficiente sistema en el manejo de la información a lo largo del ciclo de vida del producto (o servicio) en el que se puedan llevar a cabo los cambios necesarios para la completa satisfacción de los objetivos de diseño y producción (y, siendo el caso, de comercialización). Todo esto, finalmente se refleja directamente en la reducción de los costos de operación y mantenimiento, lo que, por supuesto, mejora la factibilidad en general de la producción. 1 Administración del Ciclo de vida del Producto, por sus siglas en inglés: Product Lifecycle Management. 2 Por sus siglas en ingles: Resing Transfer Molding. 3 Los otros tres pilares son: (1) Administración de la Relación con Clientes o Customer Relationship Management (CRM), (2) Administración de la Relación con Proveedores o Supply Chain Management (SCM) y (3) Planificación de los Recursos Empresariales o Enterprise Resource Planning (ERP). i

6 En los países industrializados, la tecnología PLM no solo ha logrado una impresionante aceptación por parte de la industria de la transformación, si no que se ha vuelto una herramienta indispensable en el desarrollo de productos y en la gestión de todo su ciclo de vida; esto se debe a ventajas que ofrece esta plataforma por encima de los métodos convencionales de diseño y fabricación en los que se prescinde de esta poderosa herramienta. Dentro de las principales ventajas que ofrece el uso del PLM podemos encontrar las siguientes: Toma de decisiones Informada Reducción en los tiempos de comercialización (TTM 4 ), Productos de mayor calidad, Menores costos de prototipo y planta piloto, Más precisa y oportuna generación de solicitud de presupuesto, Capacidad para identificar rápidamente oportunidades de ventas potenciales e ingresos por contribuciones, Ahorros a través de la reutilización de datos originales, Provee un marco para la optimización de productos, Reducción de desperdicios, Ahorros a través de la completa integración de flujos de Ingeniería. EL uso de esta herramienta y sus ventajas aporta una solución integral a los problemas a los que las grandes empresas se ven enfrentadas irremisiblemente en cualquiera de sus procesos, y no solo a aquellos que le conciernen exclusivamente a la ingeniería. No obstante, son precisamente aquellos problemas de índole ingenieril los que serán tomados a detalle a lo largo del desarrollo de este trabajo. Por otro lado, no solo las grandes compañías dedican su esfuerzo en emplear esta tecnología. Actualmente existen en la industria pequeñas y medianas empresas que comienzan a adoptarla con el fin de incrementar la competitividad y en miras de alcanzar sus metas de expansión y crecimiento. Es por eso que este trabajo de investigación está enfocado a desarrollar el herramental bajo este esquema de trabajo y a utilizar las herramientas PLM con el fin de aportar un trabajo rápida aplicación en la industria y con beneficios reales a corto o mediano plazo. En síntesis, este trabajo de investigación tiene la intención de proponer una metodología de desarrollo de herramental para la producción de componentes fabricados de material compuesto (en especifico para palas de aerogenerador) en la cual se intente resolver los principales dolores de cabeza de la fabricación de componentes para la industria de generación de energía eólica tales como el manejo de grandes cantidades de información, administración de la propiedad intelectual, instrucciones de trabajo para la manufactura, etc. Esto tendrá una repercusión directa en la eliminación de re trabajo para el área de ingeniería y, por consiguiente, reducción del tiempo de desarrollo, riesgos y sobretodo menores costos de producción. 4 Por si siglas en ingles: Time To Market. En el comercio, el tiempo de comercialización (TTM) es la longitud de tiempo que lleva de un producto que es concebido hasta que sea disponible para la venta ii

7 ALCANCE: El presente trabajo comprende dos principales aspectos: 1. El trabajo consiste en la elaboración del diseño del molde herramental presentado en sus planos de detalle así como un registro detallado del proceso completo del desarrollo. 2. Esta parte trabajo consiste en la simulación de los procesos de producción, tanto el mecanizado del molde herramental, como la fabricación de la pala de aerogenerador a través del método MTR. Para lo cual es necesaria la elaboración de los modelos en CAD 5 así como el desarrollo del proceso en CAM 6. 5 Computer Aided Design: Diseño Asistido por Computadora. 6 Computer Aided Manufacturing: Fabricacion Asistida por Computadora. iii

8 Introducción PLM (por sus siglas en inglés: Product Lifecycle Management) hasta hace poco era un término restringido únicamente a las grandes compañías ensambladoras de automóviles y aeronaves. Sin embargo, recientemente ha venido ganando popularidad en los diferentes sectores industriales. Esta metodología PLM, es resultado de la revolución de la información proveniente también de los grandes avances en las herramientas computacionales durante las últimas décadas del siglo XX y hasta nuestros días. Teniendo sus orígenes en la industria de la aviación y la industria automotriz, esta tecnología actualmente cuenta con una gran aceptación en las diferentes industrias que forman parte activa en la economía de cualquier país industrializado y en vías de desarrollo. La Gestión del Ciclo de Vida del Producto (PLM) es una metodología enfocada a la administración de los procesos de un producto determinado, desde su fase de conceptualización, generando una lluvia de ideas, tomando en cuenta las necesidades o requerimientos actuales del consumidor y las principales tendencias del mercado, hasta su entrada al mercado e incluso su reciclaje y/o degradación. La metodología PLM comprende las siguientes etapas de desarrollo de un producto: Conceptualización Planeación Desarrollo Pruebas y Validación Planeación de la Producción Manufactura Entrega y Servicios En un sentido más comercial, PLM ha sido adoptado como una estrategia de negocios que consiste en asistir a las empresas a manejar información en común, en la aplicación de procesos y en el aprovechamiento del capital intelectual para el desarrollo de productos, desde la fase de diseño hasta el reciclado, en toda la empresa extendida. El uso de este tipo de tecnología se hace imprescindible en las etapas de desarrollo y validación de cualquier producto, acentuando su importancia cuando de trata de productos o partes de productos sujetos a condiciones de operación extremas o sensibles a comprometer la seguridad de los usuarios; tal es el caso de los motores de reacción de uso aeronáutico (cuya fase de validación es mucho más completa y extensa que la de los motores igualmente de reacción pero de uso industrial), las aeronaves y los aerogeneradores (en mucho menor medida que los aviones), entre otros. El uso imprescindible de esta herramienta, en la fase de validación y desarrollo, reside en los imprevisibles cambios a los que está sujeto el producto hasta que alcanza su configuración final, con la cual cumple desde los requerimientos del cliente, hasta la certificación por parte de iv

9 los organismos internacionales encargados de regular la entrada al mercado de determinados productos (que, en el caso de los aerogeneradores, se trata de norma IEC : INTERNATIONAL STANDARD. Wind turbines, Part 2: Design requirements for small wind turbines. Otra norma para la certificación de aerogeneradores y sus componentes (así como también de parques eólicos) ampliamente utilizada es la GL2003. Desarrollada por GL Renewables Certification, filial del Grupo GL). Es sumamente importante mencionar que la trascendencia de tener un sistema PLM integrado radica en la manera en la que estos cambios imprevisibles son tratados dentro del mismo sistema, sin importar la magnitud de dicha modificación: desde un cambio en las especificaciones del material, hasta un rediseño de la superficie de una pala de aerogenerador. Estas modificaciones pueden surgir desde cualquier etapa de diseño antes mencionadas, e inclusive cuando se trata de variaciones desde la etapa conceptual, y los cambios pertinentes al resto de la etapas son agregados sin la necesidad de hacer por segunda (o tercera, cuarta, etc.) vez ninguna de estas etapas del desarrollo del producto. Por dar un simple ejemplo podemos plantear el siguiente panorama: Se quiere fabricar una pala de aerogenerador a partir de los requerimientos del cliente que limitan el diseño en dimensiones y potencia. Se lleva a cabo el diseño conceptual y al departamento de Aerodinámica (DA) empieza a trabajar en paralelo con el departamento de Estructuras (DE) para los respectivos cálculos; y después de que el DA terminará sus cálculos, encontraron que había que hacer modificaciones al modelos conceptual de la pala. Este cambio, sin el uso de un sistema PLM, implicaría el tener que rehacer todo el trabajo que hasta entonces se había realizado en el DE; sin embargo, con el uso de las herramientas PLM este cambio apenas incide en trabajo del DE, las personas que ahí prestan sus servicios ni siquiera van a tener que rehacer la maya del modelo, esta se ajustará al nuevo modelo y se actualizará automáticamente. Este simple ejemplo pone en evidencia el ahorro en tiempo (por mencionar solo una variable) que tiene como repercusión el uso de una herramienta de esta naturaleza. En el presente trabajo se propone el uso de un sistema PLM para el desarrollo de proyectos de ingeniería, tomando el desarrollo del herramental necesario para la fabricación de una pala de aerogenerador como un ejemplo en la aplicación del sistema PLM desarrollado por Dassault Systemes, abordando todas las problemáticas que tienen lugar durante la fase de desarrollo de cualquier bien o servicio, asumiendo decisiones que son el resultado de investigaciones previas de tipo documental (como es la configuración de las fibras de material compuesto en la piel de la pala, los materiales de la misma, etc.) con el objetivo de poder abarcar un mayor número de etapas de desarrollo y validación sin ahondar en los detalles de cada una de éstas. En el siguiente capítulo se aborda la teoría más relevante que gira alrededor de la tecnología PLM, su uso, sus orígenes, evolución, los principales fabricantes y se hace un apartado orientado al uso de esta tecnología que se enfoca en el sector de la energía eólica. En el capítulo 2 y 3 se define el producto, tanto la pala como el herramental, a partir de los requerimientos del cliente y a la norma IEC , concluyendo con una tabla de materiales empleados junto con sus especificaciones técnicas. En el capítulo 4 se llevan a cabo todas las simulaciones pertinentes del proceso de fabricación, tanto del molde como de la pala en sí, haciendo uso de dicho molde. En el v

10 capítulo 5 se hacen las verificaciones correspondientes con el objetivo de validar: los requerimientos técnicos del herramental, las especificaciones del producto final (la pala) y la factibilidad económica. En el capítulo 6 se llevan a cabo las conclusiones en base a los resultados obtenidos en el capítulo anterior. vi

11 Índice TITULO:... i OBJETIVOS... i Objetivo General:... i Objetivos Particulares:... i JUSTIFICACIÓN:... i ALCANCE:... iii Introducción... iv Índice de Imágenes... x Índice de Tablas... xiii Lista de Términos... xiv 1. Estado del Arte Gestión del Ciclo de Vida del Producto (PLM) Antecedentes y Evolución Fabricantes PLM para el Sector de Energía Eólica PLM para la Fabricación de Palas de Material Compuesto Gestión del Programa y Colaboración Diseño Asistido por Computadora Conceptualización Diseño de componentes Maqueta Digital de Manufactura Manufactura Asistida por Computadora Programación y simulación NC Programación y Simulación de Maquinado Simulación Avanzada de Maquinado Estudio de Tiempos y Movimientos Antecedentes históricos El control de la Organización Qué es MTM? MTM UAS vii

12 MTM MEK Diagrama de Gantt Diagrama PERT Método de la Ruta Crítica Planeación Digital de los Procesos de Manufactura Instrucciones de Trabajo Virtuales Definición del Producto Planteamiento (una simple advertencia) Requerimientos del Cliente Modelo de Línea Base (Baselie Model) Componentes Secuencia del Apilamiento Final Diseño de Herramental Consideraciones Selección del Material Diseño de General de la Cavidad del Molde Diseño de los puertos de inyección y ventilación Sellado del molde Sistema de calentamiento y enfriamiento Tabla de Resultados Manufactura Virtual Simulación de Maquinados por Control Numérico Producto a Maquinar Posicionamiento y Sujeción Herramienta de Corte y Maquina NC Estrategia de Maquinado Simulación y Programación Simulación de Tareas de Operadores Maqueta Digital 3D Antropometría de los Operadores Definición de Posturas y Movimientos Análisis de Visión viii

13 Diagramas de PERT Y GANTT Simulación y Análisis Estudio de Factibilidad Económica Inversión bajo incertidumbre y Evaluación de proyectos La Teoría Moderna Un nuevo punto de vista La Teoría Convencional Planteamiento del Problema Tasa de interés Inflación La solución del Problema Pagos del Primer Año Pagos del Segundo Año Pagos del Tercer Año Pagos del Cuarto Año Pagos del Quinto (y último) Año Cálculo Los Beneficios Conclusiones De lo Técnico De lo Económico Bibliografía Índice de Términos Anexo I Anexo II Anexo III ix

14 Índice de Imágenes Figura 1 1 Ciclo de vida de un bien o servicio Figura 1 2 Etapas del Ciclo de vida de un Producto Figura 1 3 Evolución del PLM Figura 1 4 Principales Fabricantes de Sistemas PLM Figura 1 5 Soluciones Integradas en el sistema PLM de DS Figura 1 6 Gestión de Programa a través de SMARTEAM Figura 1 7 Diseño de una Pala de Aerogenerador Figura 1 8 Conceptualización de un Producto Figura 1 9 Parametrización de un Modelo Figura 1 10 Modelo Tridimensional de un Componente Figura 1 11 Ejemplos de Maquetas Digitales Figura 1 12 Gráfica comparativa de Costo Unitario vs Ciclo de Vida entre los métodos tradicionales y el método virtual Figura 1 13 Simulación del Proceso de Maquinado Figura 1 14 Ejemplo de un Fragmento de Código G Figura 1 15 Ejemplo de Editor de NC Figura 1 16 Ejemplo de Maqueta Digital NC Figura 1 17 Ejemplo de Maqueta Digital NC con centro de Maquinado Figura 1 18 Ejemplo de Maqueta Digital NC con centro de Maquinado de 5 Ejes Figura 1 19 Ejemplo de Diagrama de GANTT Figura 1 20 Ejemplo de Diagrama de PERT Figura 1 21 Procesos de Manufactura donde los Operadores son Ejecutan la Operación Manualmente Figura 1 22 Instrucciones de Trabajo Virtuales en 3D Figura 1 23 Instrucciones de Trabajo Virtuales en Piso Figura 2 1. Nube de Puntos Figura 2 2. Modelo de la Pala Figura 2 3. Análisis de Desmolde Figura 2 4. Análisis de Espesor Figura 2 5. Rodamientos de Sujeción Figura 2 6. Corazón de la Raíz de Pala Figura 2 7. Viga Principal Figura 2 8. Corazón de espuma PVC Figura 2 9. Pala de Fibra de Carbono y Fibra de Vidrio (Ensamble) Figura Secuencia Final de Apilamiento en 3D Figura 3 1. Propuesta Inicial de Herramental Figura 3 2. Análisis de Sección del molde de una sola pieza Figura 3 3. Maqueta Digital Figura 3 4. Características Dimensionales Figura 3 5. Diseño de la Maqueta Digital Detallada del Molde Figura 3 6 Estado de la Matriz vs Tiempo Figura 3 7. Simulación de Impregnación en el software PAM RTM Figura 3 8. Puertos de Inyección y Vacío Figura 3 9. Sello de Nitrilo Figura 4 1. Target Part Figura 4 2. Stock x

15 Figura 4 3. Product Axis Figura 4 4. Machine Axis Figura 4 5. Fixtures Figura 4 6. ResourcesList Figura 4 7. Modelo de CNC Figura 4 8. CNC de 5 ejes SHWMS Figura 4 9. Sistemas de Coordenadas del CNC Figura Herramienta de Corte Tipo End Mill Figura Modelo de Cortador Figura Esquema de los Parámetros de Maquinado Figura Velocidades Típicas de Corte Figura Tasa de Profundidad de Corte (Aproximada) Figura Estrategia de Maquinado Figura Cambio de Herramienta Figura Desbaste Inicial Figura Semi acabado en la Superficie Plana Figura Semi acabado 1 en la Cavidad del Molde Figura Semi acabado 3 en la Cavidad del Molde Figura Acabado de Precisión en la Cavidad Figura Acabado para Seguir Curva para Junta Figura Análisis Visual de Resultados Figura Interfaz del Post Procesador NC Figura Código NC Para el Maquinado de la Pieza Figura Maqueta Digital del Taller de Manufactura de Palas de Aerogenerador Figura Parámetros lineales de dimensionamiento del cuerpo humano Figura Limites angulares de los operadores Figura Definición de las primeras 3 posturas de movimiento dentro del proceso de manufactura Figura Trayectoria del operador Néstor desde la mesa de trabajo hacia la bomba de vacío (diagrama de espagueti) Figura Posturas del operador Néstor durante el encendido de la bomba de vacío Figura Ruta del operador Néstor al regreso a la mesa de trabajo Figura Parámetros del cono visual Figura Análisis de campo de visión del operador Miguel en diferentes posturas Figura Diagrama de PERT para las actividades de los operadores Figura Gráfica de GANTT de las actividades simultáneas de los operadores Néstor y Miguel Figura Gráfica de colores RULA para el operador Miguel Figura Puntuación final y gráfica de colores para la postura de encendido de máquina de inyección.. 87 Figura Puntuación final y gráfica de colores, resultado del análisis RULA Figura Secuencia de imágenes resultantes de la simulación del proceso de manufactura y análisis RULA Figura 5 1. Flujo de Pagos del Primer Año Figura 5 2. Flujo de Pagos del Segundo Año Figura 5 3. Flujo de Pagos del Tercer Año Figura 5 4. Flujo de Pagos del Cuarto Año Figura 5 5. Flujo de Pagos del Quinto Año Figura 5 6 Tasa de Interés en el Tiempo xi

16 Figura 5 7. Flujo de Efectivo Equivalente Figura 5 8. Comparativa entre Manufactura Virtual y Manufactura Convencional Figura 5 9. Flujo de Ingresos de los 5 años Figura 6 1. Retorno de Inversión xii

17 Índice de Tablas Tabla 2 1. Materiales de la Pala. 52 Tabla 2 2. Secuencia de Apilamiento. 54 Tabla 3 1. Materiales del Molde. 65 Tabla 4 1. Atributos Principales de la Máquina CNC de 5 Ejes. 70 Tabla 4 2. Listado de Herramientas de Corte. 72 Tabla 4 3. Programa de Manufactura. 75 Tabla 4 4. Parámetros lineales de los operadores. 80 Tabla 5 1. Flujo de Pagos. 96 Tabla 5 2. Valor Presente de los Costos. 104 Tabla A 1.. Limitaciones Angulares (Grados). 145 xiii

18 Lista de Términos A Pagos periódicos a intervalos regulares de tiempo, MXN o USD. Ar Área de la sección transversal, m 2. CAD CAE CAM CATIA CPM DRAPO E ENOVIA ERP F G Computer Aided Design, es el diseño asistido por computadora. Computer Aided Engineering, es la ingeniería asistida por computadora. Computer Aided Manufacturing, es la fabricación asistida por computadora. Computer Aided Three dimensional Interactive Application, es un programa informático de diseño, fabricación e ingeniería asistida por computadora comercial. Critical Path Method, es el método de la ruta crítica. Définition et Réalisation d'avions Par Ordinateur, es la Definición y desarrollo de aviones por computadora. Módulo de elasticidad longitudinal o módulo de Young, Gpa. Enterprise Innovation Interactive Application, es un conjunto de aplicaciones (actualmente 3: VPLM, MatrixOne y Smarteam) que actúan como PDM/PLM. Enterprise Resource Planning, son los sistemas de planificación de recursos empresariales. Valor futuro de un pago o una serie de pagos, MXN o USD. Módulo de elasticidad transversal, Gpa. GANTT (diagrama) Herramienta gráfica cuyo objetivo es mostrar el tiempo de dedicación previsto para diferentes tareas o actividades a lo largo de un tiempo total determinado. h Altura, m. i Tasa de interés nominal. L Longitud, m. mdmu MES MHS manufacturing Digital Mock Up, es una Maqueta Digital para Manufactura. Manufacturing Execution System, es un sistema de ejecución de manufactura. Material Handling System, es un sistema de manejo de materiales. xiv

19 Mn n NC NSP P Pagos de mantenimiento, MXN o USD. Número de periodos. Los periodos son intervalos definidos de tiempo en donde tiene lugar una tasa de interés y una inflación. Numeric Control, es el sistema de maquinado de control numérico. Net Selling Price, es el precio neto de venta. Pago realizado en el presente, MXN o USD. PAM RTM Software de simulación para la fabricación de compuestos de inyección. PDM Product Data Management, es un sistema de gestión de datos del producto. PERT (diagrama) Program Evaluation and Review Technique, es una Técnica de Revisión y Evaluación de Programas. PLM PTC Q r RTM Product Lifecicle Management, es la gestión de ciclo de vida del producto. Parametric Technology Corporation, es una compañía dedicada al desarrollo, comercialización y a dar soporte a software de desarrollo de productos PLM. Gasto. Cantidad de fluido por unidad de tiempo. Tasa de interés real Resin Transfer Moulding, es el método de manufactura por trasferencia de resina. Es una aplicación de ENOVIA que, entre otras cosas, permite integrar a todos los SMARTEAM actores de desarrollo a través de un sistema en línea y colaborativo. T curado T gelado T llenado Unique True VaRTM VPE Tiempo que toma en curar la resina desde la infusión de la misma, seg. Tiempo que toma en gelar la resina desde la infusión de la misma, seg. Tiempo que de llenado del molde, seg. El término es referido a manejar de manera transparente la información en toda la compañía sobre el desarrollo de un proyecto, es decir, todos deben manejar una única verdad de la información. Vacuum Assisted Resin Transfer Molding, es el método de transferencia de resina asistido por vacío. Valor Presente Efectivo xv

20 VPN WI ν π Valor Presente Neto, es la diferencia de los costos (en valor presente) y los beneficios (en valor presente). Work Instructions, son las instrucciones de trabajo. Módulo de Poisson. Inflación. xvi

21 1. Estado del Arte Gestión del Ciclo de Vida del Producto (PLM) PLM (por sus siglass en inglés: Product Lifecycle Management) hasta hace poco era un término restringido únicamente a las grandes compañías ensambladoras de automóviles y aeronaves. Sin embargo, recientemente ha venido ganando popularidadd en los diferentes sectores industriales, así mismo, esta tecnología se vuelve cada vez más accesible a las compañías de tamaño mediano. La Gestión del Ciclo de Vida del Producto (PLM) es una metodología enfocada a la administración de los procesos de un producto determinado, desde suu conceptualización hastaa su entrada al mercado e incluso su reciclaje o degradación. Todo lo anterior está basado principalmente en herramientas informáticas especializadas en asistir a las diferentes áreas de ingeniería involucrados en el desarrollo de cualquier bien o servicio. El desarrollo de la metodología PLM comienza desde que se idealizaa el conceptoo del producto, generando una lluvia de ideas, tomando en cuenta las necesidades o requerimientos actuales del consumidor y las principales tendencias del mercado. Posteriormentee se comienzan a definir los procesos de las diferentes etapas de desarrollo del producto. Una vez definido el camino a seguir, se comienzan a detallar los parámetros funcionales del producto a fin de obtener una maqueta digital tridimensional, la cual será sometida posteriormente a pruebas científicas (simulaciones) que demuestren que el producto es capaz de llevar a cabo su función con el propósito de optimizar su rendimiento. De manera paralelaa o anticipada al diseño del productoo y su validación de funcionamiento, los departamentos de manufactura comienzan a desarrollar la logística para la producción con el fin de optimizar el uso de los recursos materiales y humanos dedicados a la fabricación. El siguiente proceso que se lleva a cabo en el ciclo dee vida del producto es el procesos de producción, así como la verificación de la calidad del producto a fin de términos funcionales. control de cuantificarla Finalmente, el último proceso consiste en la entrega del producto al usuario final o distribuidores; así mismo, se contempla el servicio post venta del producto. los en Concepto Planeación Desarrollo Pruebas y Validación Planeación de Producción Manufactura Entrega Servicio Figura 1 1 Ciclo de vida de un bien o servicio. En un sentido más comercial, PLM ha sido adoptado comoo una estrategia de negocios que consiste en asistir a las empresas a manejar información en común, en la aplicación de procesos y en el aprovechamiento del capital intelectual para el desarrollo de productos en toda la empresa 17

22 extendida. PLM incluye a cada una de los actores o stakeholders que intervienen en el ciclo de vida (departamentos de una misma firma, socios comerciales, proveedores, OEM s y clientes, Figura 1 2), por lo que toda la red trabaja como una entidad única para definir el concepto, construir y brindar soporte al producto. Figura 1 2 Etapas del Ciclo de vida de un Producto 7 Hablar de la metodología PLM implica finalmente mencionar que los sistemas informáticos en los cuales se ha cimentado este concepto es el conjunto de plataformas denominadas PDM / CAD / CAM / CAE / MES, principalmente, los cuales se mencionaran a detalle más adelante Antecedentes y Evolución PLM es resultado de la revolución de la información proveniente también de los grandes avances en las herramientas computacionales durante las últimas décadas del siglo XX y hasta nuestros días. Teniendo sus orígenes en la industria de la aviación y la industria automotriz, esta tecnología actualmente cuenta con una gran aceptación en las diferentes industrias que forman parte activa en la economía de cualquier país industrializado y en vías de desarrollo. En un inicio, el primer sistema informático que asistiera a la manufactura fue generado con fines de investigación a mediados de los 60 s, aunque su verdadero desarrollo comercial comenzó a principios de la década de los 80 s en las instalaciones de la compañía francesa Dassault Aviation, quien elaboró el primer sistema CAD/CAM conocido como DRAPO 8, el cual auxiliaba a los ingenieros a la planeación de la manufactura de las aeronaves gracias a la generación de una maqueta digital en 3D que les permitía visualizar errores y a mejorar el entendimiento del proceso de producción. 7 Fuente: 8 Definición y desarrollo de aviones por computadora (por sus siglas en francés: Définition et Réalisation d'avions Par Ordinateur). Entro oficialmente en servicio industrial a finales de

23 Una vez que la compañía pudo cuantificar el éxito en la mejora de la planeación de la producción utilizando un software que, además de generar una imagen digital de los componentes, podía generar de manera automática los dibujos, esquemas y planos necesarios para la manufactura, el concepto de los sistemas CAD/CAM comenzó a evolucionar y a partir de entonces surgieron diferentes y muy diversas empresas dedicadas a desarrollar este tipo de herramientas. Durante la evolución de los sistemas CAD/CAM, se descubrió que el concepto podría ser extendido a las demás etapas de desarrollo de un producto y no solo la manufactura, aprovechando además las grandes ventajas que trae consigo la virtualización tridimensional. En la cúspide de esta evolución informática se encuentra la metodología PLM, en la cual las compañías desarrolladoras de estos sistemas dedican sus esfuerzos no solo a tener una amplia gama de soluciones para diferentes áreas de ingeniería, sino que se centran también en la colaboración multidisciplinaria y el integración de toda la información que se maneja en la cadena de desarrollo de un producto. Actualmente, la metodología PLM ha evolucionado a sus versión 2.0 basada en el nuevo desarrollo de la Web a Web 2.0 y se enfoca directamente a las necesidades del consumidor, permitiéndole experimentar el producto sobre plataformas ON LINE, así como compartir información valiosa para la mejora del producto. Esta evolución PLM 2.0 (ver Figura 1 3) pretende involucrar al usuario final en el ciclo de vida desde un inicio, anticipándose a las nuevas tendencias del mercado, dando como resultado que todos los esfuerzos por entregar un producto innovador y funcional se vean reflejados en el éxito económico para la compañía y el fortalecimiento ante la competencia. Figura 1 3 Evolución del PLM 9 9 Fuente: 19

24 Fabricantes Desde el surgimiento de los primeros sistemas CAD/CAM, diferentes compañías que dedicaron sus esfuerzos a desarrollar el sistema han ido emergiendo, incrementando cada vez más la precisión y confiabilidad de las plataformas informáticas, además de ampliar el rango de posibilidades en la generación de productos mucho mas innovadores. En este mismo respecto, cabe mencionar que surgieron compañías que tuvieron mucho éxito pero que fueron desapareciendo o se fusionaron a otras debido a diferentes cuestiones económicas internas y que dieron como resultado que, en la actualidad, haya compañías muy grandes con la capacidad de integrar todas las soluciones PLM tales como Dassault Systemes y Siemens, quienes han tenido mucho éxito debido a la gran confiabilidad de sus sistemas. Además, surgieron también compañías muy grandes que basaron su éxito principalmente en la sencillez de sus sistemas y sobre todo, su bajo precio, como es el caso de Autodesk y PTC. Son precisamente estas cuatro compañías las que lideran en la actualidad con sus herramientas PLM a nivel mundial, teniendo como peculiaridad que sus sistemas más populares son sus plataformas CAD, las cuales son mostradas en la Figura 1 4. Figura 1 4 Principales Fabricantes de Sistemas PLM 10 Debido a que el objetivo del presente trabajo se centra en la metodología PLM y no en las diferencias entre las soluciones de una u otra compañía, se ha decidido elegir un solo sistema para desarrollar esta investigación. Las razones por las cuales se eligió un determinado sistema fueron basadas principalmente en la cantidad de compañías del sector de energía eólica se inclinan, además del número de soluciones que integran el PLM para resolver las principales necesidades de este sector. La solución elegida en este trabajo de investigación ha sido la plataforma PLM de la compañía francesa Dassault Systemes (DS), la cual tiene un mayor número de soluciones especializadas en el desarrollo de sistemas para energía eólica en comparación con su competencia Autodesk o PTC y que además es utilizado por un mayor número de compañías del sector en comparación con Siemens. 10 Fuente: 20

25 Las cifras exactas de esta determinación no son mostradas en este trabajo debido a dos razones, la primera es por cuestiones de alta confidencialidad que no nos permite publicarlas y en segundo porque el trabajo de investigación no intenta realizar una comparativa comercial. Adicionalmente, cabe señalar que las herramientas PLM de Dassault Systemes, tales como CATIA 11, manejan un mayor grado de precisión en su cálculo debido a que operan con un número de KERNEL 12 de 19 dígitos para realizar el cálculo de los procesos en 3D, muy por encima de los 11 dígitos que maneja su competencia más cercana (NX 13 ) PLM para el Sector de Energía Eólica Con una tasa de crecimiento del 35% en la capacidad instalada, la industria de los aerogeneradores se ha convertido en una de las aplicaciones de más rápido desarrollo. Siendo ultra ligeros, altamente resistentes y duraderos, los materiales compuestos son ideales para la producción de palas de bajo peso y excelentes capacidades estructurales. Sin embargo en la actualidad este tipo de materiales son costosos y su producción es complicada; así mimo, la instalación y el mantenimiento del sistema completo resulta en un elevado precio por cada uno de los sistemas que deben ser instalados en un campo de generación de energía. En este mismo sentido, la industria de los materiales compuestos trabaja duro por mejorar los métodos de la producción, así como aumentar la vida útil de las palas en su correcto funcionamiento y de esta manera disminuir los costos bajo un esquema temporal de largo plazo. Por tal motivo, es necesario que las compañías dedicadas a esta industria sean cada vez más creativas en como plantear y llevar a cabo cada una de las etapas de desarrollo de este tipo de productos. Actualmente, las diferentes compañías desarrolladoras de las herramientas digitales involucradas en la metodología PLM ofrecen soluciones enfocadas a la mejora de la eficiencia y eficacia de cada una de las fases que involucran el ciclo de vida de un producto, tales como: la gestión del programa, el diseño mecánico y funcional, la manufactura, la instalación y el mantenimiento del sistema. 11 Computer Aided Three dimensional Interactive Application, es un programa informático de diseño, fabricación e ingeniería asistida por computadora comercial. El programa está desarrollado para proporcionar apoyo desde la concepción del diseño hasta la producción y el análisis de productos. Está disponible para Microsoft Windows, Solaris, IRIX y HP UX 12 El kernel o núcleo es el nivel más bajo de software fácilmente remplazable que interactúa con el hardware de una computadora. Se encarga de interconectar todas las aplicaciones que se ejecutan en el modo usuario hasta el hardware, permitiendo a los procesos obtener información de unos a otros utilizando la comunicación entre procesos (IPC). Las funciones más importantes del mismo, aunque no las únicas, son: Administración de la memoria para todos los programas y procesos en ejecución, Administración del tiempo de procesador que los programas y procesos en ejecución utilizan, Es el encargado de que se pueda acceder a los periféricos/elementos de la computadora de una manera cómoda. 13 NX es un programa informático que realiza conexiones remotas X11 número de Kernel relativamente rápidas, lo que permite a los usuarios acceder a escritorios remotos de Linux o Unix incluso bajo conexiones lentas como las realizadas con módem. 21

26 Cabe reiterar que para este trabajo de investigación se han elegido los productos del fabricante DS (Dassault Systemes), por lo cual el desarrolloo de este tema se enfocara en las soluciones que ésta compañía ofrece a la industria de la energía eólica, específicamente la fabricación de los componentes hechos de materiales compuestos. Al respecto la compañía DS ha planteado una estrategia diferenciada al resto del mercado en aspectoss tales como la colaboración en línea, el desarrollo no secuencial y la facilidad de integrar las diferentes herramientas digitales en una única plataforma intuitiva y sencilla de utilizar. En la Figura 1 5 se puede observar esta serie de soluciones integradas, de principio a fin, del ciclo de vida del producto. Figura 1 5 Soluciones Integradas en el sistema PLM de A continuación se explicará detalladamente cada una de las soluciones PLM utilizadas para desarrollar cada una de las etapas del ciclo de vida de las palas de aerogenerador hechas con material compuesto. De igual manera, se mencionaran lass diferentes herramientas que, en el caso particular de DS, se ofrecen al mercado y que se intentaran integrar en este trabajo de investigación. DS Fuente: 22

27 1.2. PLM para la Fabricación de Palas de Material Compuesto Gestión del Programa y Colaboración Antes de comenzar cualquier proyecto es importante definir los objetivos del mismo que en general pretenden cumplir los requerimientos del cliente y la entrega del producto en los tiempos más cortos y en el menos costo posible. Con esto es posible estructurar los departamentos que estarán participando y en qué medida lo estarán haciendo. También es necesario coordinar los roles de cada uno de los involucrados en el proyecto también conocidos como stakeholders, tales como departamentos internos, proveedores, socios comerciales, etc. Todo lo anteriormente mencionado, junto con algunos otros aspectos que involucren la planeación y ejecución del proyecto, necesitan ser administrados continuamente y se necesita también la colaboración activa de todos y cada uno de los involucrados en el proyecto, desde los directivos hasta los ingenieros de diseño y manufactura. En aras de cumplir con el objetivo antes mencionado, la metodología PLM plantea el uso de un sistema de administración de los datos del producto (PDM por sus siglas en ingles: Product Data Management). Este tipo de sistemas son capaces de asignar roles y permisos a cada uno de los participantes para tener acción directa sobre la información que se está generando, además de habilitar la colaboración activa en un ambiente de ingeniería concurrente. En el caso más común, los administradores del sistema PDM tiene un rol gerencial dentro de la compañía y ellos tienen la capacidad de permitir el acceso a la cantidad de información que los demás actores necesitan o deberían tener a su disposición. De manera paralela, los desarrolladores del producto, tales como: los diseñadores, analistas, ingenieros de producción, gerentes de marketing o ventas, entre otros, introducen a la base de datos del sistema PDM la información de propiedad intelectual que ellos mismos van generando: modelo geométricos, simulaciones, documentación técnica, análisis de costos, etc. Uno de los beneficios que trae consigo el implementar, en esta fase, un sistema PDM, es la eliminación de las barreras de la comunicación entre departamentos que convencionalmente implican un problema de interacción en esta tipo de topología organizacional, por ejemplo entre diseñadores y expertos en marketing o analistas e ingenieros de producción. Además permite manejar lo que se denomina como "Unique True 15 ". En la Figura 1 6 se muestra la gestión de programa de la aplicación Smarteam. Ésta es una aplicación de integración y administración de toda la información relativa al desarrollo de un proyecto determinado. Actualmente, el sistema más completo del mercado que puede realizar este tipo de trabajo es el software llamado SMARTEAM, el cual pertenece a la marca ENOVIA (Enterprise Innovation 15 El término es referido a manejar de manera transparente la información en toda la compañía sobre el desarrollo de un proyecto, es decir, todos deben manejar una única verdad de la información. 23

28 Interactive Application), el cual, entre otras cosas, permite integrar a todos desarrollo a través de un sistema en línea y colaborativo. los actores de Figura 1 6 Gestión de Programa a través de SMARTEAM M Diseño Asistido por Computadora Una vez que se han definido los requerimientos del proyecto a través de la gestión del programa, es necesario asignar al departamento de diseño la tarea de generar el producto a fabricar de manera digital y en 3D, tal y como lo plantea la metodología PLM, ya que esto permitirá tener una maqueta digital del producto y detectar errores en ciertas consideraciones de funcionamiento, espacio y, en algunos casos, la apariencia del producto. Figura 1 7 Diseño de una Pala de Aerogenerador Fuente: 17 Fuente: 24

29 Conceptualización La información que se ha generado en la etapa de recopilación de los requerimientos del cliente, que pueden provenir de tendencias de mercado e incluso de una requisición muy específica como lo es un molde, es convertida a parámetros funcionales para conceptualizar el producto determinando factores como: forma, elementos que compondrán el producto, funcionamiento, etc. Este proceso se lleva a cabo regularmente en hojas de papel al estilo de los ingenieros del siglo antepasado, pero que aún sigue siendo muy útil en la nueva generación de ingenieros. En la siguiente imagen se muestran algunos ejemplos de conceptualización de un producto: Figura 1 8 Conceptualización de un Producto Diseño de componentes Una vez definido en concepto el producto, es necesario desarrollar en un software de diseño asistido por computadora la geometría exacta del producto. Durante esta etapa, es necesario determinar parámetros de diseño que permitirán controlar la geometría de una forma más sencilla a través del uso de formulas matemáticas, además es importante considerar de un inicio la posible asociatividad entre cada uno de los elementos geométricos de definición del producto. A todo esto se le conoce como parametrización y es un punto muy importante a considerar cuando se toma la decisión de qué tipo de sistema CAD se utilizará. 18 Fuente: 25

30 En el caso práctico del diseño de moldes, existen parámetros que se deben definir tales como: el material, el número de puertos de inyección y de vació, longitudes generales del herramental, entre otros. En este caso, la plataforma CATIA maneja un sistema de diseño completamente parametrizado y asociativo, lo cual permite definir la geometría en base a restricciones geométricas tales como conicidad, concentricidad, paralelismo, etc., así como restricciones dimensionales de distancias lineales, angulares y radiales. Estas restricciones pueden ser definidas por diferentes tipos de magnitudes físicas, como son: longitud, área, volumen, luminosidad, resistencia eléctrica, etc. Figura 1 9 Parametrización de un Modelo 19 Este software también te permite generar funciones matemáticas tipo para determinar diferentes valores de algún parámetro y con ello ampliar el rango de posibilidades de un producto para adaptarse a cambios en los requerimientos conforme se avance en la fase de desarrollo. En esta etapa, finalmente lo que se obtendrá es el diseño de cada uno de los componentes que conformaran el producto final. Este tipo de piezas mecánicas están basadas en el modelado de sólidos, lo que indica que tienen propiedades como son: densidad, volumen, inercia, centro de gravedad, etc. A continuación se muestra un ejemplo del diseño de un componente mecánico a través del uso del software CAD, en este caso CATIA. 19 Fuente: 26

31 Figura 1 10 Modelo Tridimensional de un Componente 20 Otra característica muy importante a considerar de la herramienta de CAD es el hecho de poder controlar el historial de diseño del producto, ya que en la gran mayoría de los proyectos, el producto sufre modificaciones en cada una de las diferentes etapas del ciclo de vida, es decir, en la etapa de manufactura, por ejemplo, ocurren cambios debido a restricciones de manufacturabilidad o también el producto en ocasiones no cumple con los requerimientos mecánicos de funcionamiento y esto es determinado en la etapa de validación estructural e incluso se realizan cambios considerando el mantenimiento u operación del mismo producto. En el caso del software CATIA, este historial es almacenado de manera hereditaria a través de un componente conocido como el "Árbol de Diseño" y, aunque se puede configurar por completo, por lo regular lo localizamos en la parte superior izquierda de la pantalla del software, tal como se muestra en la Figura Maqueta Digital de Manufactura El término maqueta digital, aunque no es nuevo, aun es muy vigente e implica mucha innovación, ya que pretende obtener el diseño a detalle de un sistema completo en 3D a través del uso de las mismas herramientas de CAD ya mencionadas en la etapa de diseño de componentes. Una de las grandes ventajas de utilizar una maqueta digital es el hecho de eliminar la necesidad de complejos y costos prototipos del producto, lo cual, además, permitirá realizar cambios rápidos del sistema, teniendo también la peculiaridad de reutilizar esta información para la planeación de manufactura y/o para la detección problemas de funcionalidad. Es un hecho también que, el utilizar maquetas digitales permite enfocar los esfuerzos de diseño hacia su óptima funcionalidad, pero tomando en cuenta todas las restricciones de manufactura, como lo son: costos, tiempos de entrega, etc., a todo esto también se le conoce como Maqueta Digital para Manufactura o mdmu (manufacturing Digital Mock Up). Existen muchos ejemplos de maquetas digitales, algunos ejemplos de éstas se muestran en la Figura Sin embargo, el término mdmu lo enfocaremos, en este trabajo, al diseño del 20 Fuente: 27

32 ensamble completo en conjunto con el análisis cinemático de funcionalidad, en el cual se toman en cuenta aspectos como: el tipo de configuración de herramental (progresivo, tandem, transferencia, RTM, VARTM, etc.), los elementos que conformaran el sistema (puertos de inyección, pernos guía y de sujeción, etc.), el producto final, así como corazón y cavidad del molde. Figura 1 11 Ejemplos de Maquetas Digitales Manufactura Asistida por Computadora Anteriormente, en los grandes desarrollos de la ingeniería y también en los no tan grandes, el ciclo de vida de un producto incluía lo relativo a la manufactura como un segundo paso después de la finalización del diseño del producto. En la actualidad, esto ya no puede ser así, es decir, en la mayoría de los desarrollos de ingeniería es necesario contemplar la etapa de manufactura de manera anticipada a la finalización del diseño; incluso es recomendable estimar cuestiones técnicas y financieras de la manufactura desde que el producto es requerido por nuestro consumidor. Esta forma de trabajo llego a nuestra actualidad, en gran parte, por las metodologías de calidad implementadas por la compañía japonesa TOYOTA, a través de sus sistemas Just in Time 22, Lean Manufacturing 23, etc. 21 Fuente: 22 El método justo a tiempo (traducción del inglés Just in Time) es un sistema de organización de la producción para las fábricas, de origen japonés. También conocido como método Toyota o JIT, permite aumentar la productividad. Permite reducir el costo de la gestión y por pérdidas en almacenes debido a 28

33 En estas metodologías de calidad se contempla el hecho de reducir lo más posible los costos de producción, los tiempos de entrega y de eliminar por completo desperdicios e inventarios. Algo muy peculiar de estas metodologías es la necesidad de implementar sistemas de producción innovadores, regularmente, para la mejora continua de los procesos de manufactura. Actualmente, la gran mayoría de las compañías manufactureras en el mundo toman en cuenta la implementación de este tipo de sistemas como parte primordial en la planeación, monitoreo y control de sus procesos, ya que, de no hacerlo, la posibilidad de ser competitivos en términos de entrega de sus producto y precio al consumidor final se vuelve nulo, provocando un panorama muy poco alentador para la continuidad de la compañía. Para los ingenieros encargados de la planeación de los procesos de manufactura, el rango de posibilidades para llegar a una correcta implementación de estos sistemas de calidad es muy amplia, ya que se cuenta con muchas herramientas para definir, monitorear, controlar y administrar los procesos de fabricación. Incluso, estas metodologías proponen el uso de ciertas herramientas específicas que a continuación se mencionan: Mapeo de la Cadena de Valor, Diagrama de Spaguetti, Diagrama de Pescado (Causa y Efecto), Diseño de sistemas Poka Yoke, Diseño de sistemas KAN BAN, Diseño de sistemas KAIZEN, 5S, 5 W y 2 H, Takt Time, entre otros. Actualmente, gracias a las nuevas tecnologías PLM es posible contar con herramientas completamente innovadoras que nos permiten poner a prueba todos estos sistemas de calidad de manera digital, es decir, simular el comportamiento de los procesos de manufactura en un software que expande la capacidad de identificación de errores de manufactura a través de su visualización gráfica, además de obtener información necesaria para la implementación de estos procesos, tales como el código de maquinado, por ejemplo, e incluso reportes completos de tiempos y movimientos. stocks innecesarios. De esta forma, no se produce bajo suposiciones, sino sobre pedidos reales. Una definición del objetivo del Justo a Tiempo sería «producir los elementos que se necesitan, en las cantidades que se necesitan, en el momento en que se necesitan». 23 Lean manufacturing (Manufactura esbelta) es una filosofía de gestión enfocada a la reducción de los siete tipos de "desperdicios" (sobreproducción, tiempo de espera, transporte, exceso de procesado, inventario, movimiento y defectos) en productos manufacturados. Eliminando el despilfarro, la calidad mejora y el tiempo de producción y el costo, se reducen. Las herramientas "lean" (en inglés, "sin grasa" o "ágil") incluyen procesos continuos de análisis (kaizen), producción "pull" (en el sentido de kanban), y elementos y procesos "a prueba de fallos" (poka yoke). 29

34 Los principales beneficios que trae consigo el poder simular los procesos de manufactura son una inminente reducción de costos y, sobretodo, la entrega anticipada al cliente. Esto es posible observarlo a través de la Figura 1 12, la cual muestra una estática comparativa entre el método tradicional y el actual, haciendo uso de las herramientas PLM. En el método tradicional, los ingenieros de planeación inician el proceso de producción (SOP Start of Process) una vez que reciben la requisición y considerando que, por lo regular, disponen de muy poco tiempo para llevar a cabo esta planeación. Es bien sabido que pueden existir errores importantes que impliquen un aumento en los costos en la etapa de pre manufactura. Sin embargo, una vez que el proceso ha arrancado es natural que los costos disminuyan debido a la experiencia que el departamento de manufactura acumula para resolver las diferentes problemáticas de la línea de producción, todo eso a prueba y error. En el método PLM se propone a priori realizar una ejecución de procesos (SOP) en modo virtual, lo cual, por supuesto, implica un costo inicial de desarrollo y, así mismo, un tiempo. Sin embargo, este proceso se puede realizar antes de iniciar la planeación de la línea de producción. Con esto, el lanzamiento a piso se puede alternar con el inicio del ciclo de vida de la línea de producción, lo cual implica (tal como lo muestra la Figura 1 12) significativos decrementos en los costos de implementación de los procesos, así como una reducción en el tiempo de lanzamiento en piso de la línea y su consecuente anticipación del producto al cliente. 30

35 Figura 1 12 Gráfica comparativa de Costo Unitario vs Ciclo de Vida entre los métodos tradicionales y el método virtual 24. En la actualidad, el concepto CAM 25 está relacionado estrechamente con la aplicación de software para simulación de maquinados. Sin embargo, el termino es mucho más amplio y en el siguiente apartado se muestran, para nuestro caso de interés, las aplicaciones más importantes en la fabricación del herramental, para la producción de palas de aerogenerador Programación y simulación NC La aplicación de fabricación que ha sido relacionada de manera muy estrecha con los términos manufactura digital (DM) o manufactura asistida por computadora (CAM), es la de Programación y Simulación de Maquinados por Control Numérico. En lo concerniente a la fabricación de moldes y dados, la etapa de maquinado es crucial a considerar en el proceso de desarrollo, ya que es en ésta cuando los ingenieros deben hacer uso de todo su conocimiento y creatividad para resolver el problema de manufacturabilidad. Para poder ser resuelto éste problema de factibilidad de fabricación, es necesario definir los siguientes parámetros: Número de ejes necesarios para el proceso Sistema de sujeción del molde en la maquinaria CNC 24 Fuente: 25 Fabricación asistida por computadora, CAM, por las siglas en inglés "computer aided manufacturing". 31

36 Herramientas de corte a utilizar dependiendo del material y calidad del proceso. Estrategia de maquinado. Velocidades de avance y corte para los distintos procesos Tiempo ciclo del proceso; incluyendo montaje, set up y maquinado En la actualidad, la situación de las compañías manufactureras de pequeño y mediano tamaño que trabajan en un esquema tradicional, consiste en la utilización de diferentes herramientas asiladas tipo CAD / CAM Programming / CAM Simulation Programación y Simulación de Maquinado Regularmente, el ciclo de vida del proceso de manufactura inicia con la información obtenida del departamento de diseño a través de un sistema CAD, la cual es compartida al departamento de manufactura, quienes son encargados de definir la secuencia de procesos de maquinado, esto lo realizan haciendo uso de un sistema CAM Programming. Prácticamente, en la totalidad de los sistemas tipo CAM del mercado está incluida la solución de simulación de trayectoria de la herramienta de corte, con la cual el usuario tiene la posibilidad de validar la secuencia de procesos de manera visual. Con esto, es posible analizar el material restante a maquinar o el detectar problemas de una mala secuencia de maquinados, como lo es una incorrecta penetración de la herramienta sobre la pieza. Además, esta solución contempla la posibilidad de determinar el tiempo ciclo de maquinado. Dentro de este trabajo consideramos un tipo de simulación básica, ya que no detecta problemas de todo el sistema NC que se abordara en el siguiente tema. 32

37 Figura 1 13 Simulación del Proceso de Maquinado 26. Una vez generada la secuencia de maquinado y la simulación de la trayectoria de la herramienta, el software CAM tiene la capacidad de traducir toda ésta información de manera automática a un código G 27 (también conocido como lenguaje de programación G). Con esta información se controla el modo en que la máquina realiza un trazado o el modo en que se desplaza sobre la superficie de la pieza que está trabajando. Ésta información consiste en una serie de líneas de código con las coordenadas de cada punto de la herramienta y con las declaraciones de variables que definimos durante la programación de nuestros procesos, como lo es la definición del sistema de medidas a utilizar, la definición de ciclos enlatados, el sistema de movimiento de la herramienta (incremental o absoluto), el sentido de giro de la herramienta, encendido del refrigerante, etc. Además, es importante considerar que su definición sigue el lineamiento de diferentes estándares normativos, aunque la más aceptada es la ISO Fuente: Figura realizada por los autores. 27 El lenguaje G, es el lenguaje de programación que usa en LabVIEW. Ésta, a su vez, es una herramienta gráfica para pruebas, control y diseño mediante la programación. 33

38 Figura 1 14 Ejemplo de un Fragmento de Código G 28. El código G es generado a través de un compilador especial conocido como Post Procesador y es entregado al controlador computarizado de la máquina NC en diferentes formatos, tales como pueden ser:.nccode,.ncp,.mpf.mpt, y muchos otros más. En el mercado existen muchos tipos de Post Procesadores, los cuales, incluso en ocasiones, ya vienen integrados en la misma plataforma de CAM. En el mercado, existen también ciertas aplicaciones, por lo regular gratuitas, que permiten validar la programación G que obtenemos en el software CAM. Estos editores se conocen, en general, como editores de código NC, tal y como el que se puede observar en la Figura Este tipo de aplicaciones son útiles para realizar modificaciones puntuales en el código G y detectar si el Post Procesador está realizando su traducción correctamente. Figura 1 15 Ejemplo de Editor de NC Fuente: Figura realizada por los autores. 29 Fuente: Figura realizada por los autores. 34

39 En lo referente a CAM para NC, es muy importante considerar el aspecto del Post Procesador a utilizar, ya que la manera en que se distribuyen estos sistemas es por demanda descripción exacta del tipo de controlador que esté utilizando la máquina NC, es decir, si utiliza un controlador tipo FANUC, HAAS, SINNUMERIK, HEIDENHEIN o MAZAK, entre otros. Se debe tomar en cuenta que la lista de controladores muy extensa y, sobretodo, que en cada marca de controlador pueden existir variantes en la manera en cómo interpretan el código G. Resulta natural también considerar que existen diferentes fabricantes de software especializado en la generación de post procesadores completamente personalizados. A continuación se enlistan los principales fabricantes de estas aplicaciones de generación de Post Procesador 30 : ICAM CENIT IMS Post Processing ArtSoft DELCAM MasterCAM Simulación Avanzada de Maquinado Hasta este momento, podría considerarse que el ciclo de vida del proceso de maquinado a terminado para la gran mayoría de las compañías manufactureras. Sin embargo, cuando la complejidad del proceso implica la definición de movimientos no convencionales del sistema, es necesario ampliar las consideraciones técnicas de la programación a fin de optimizar el proceso y asegurar la calidad deseada de la pieza. Es por tal motivo que en el tema anterior se menciona el hecho de una simulación básica, ya que la problemática de todo el sistema NC comúnmente no es abordada de manera virtual si no ya en el piso de trabajo. Sin embargo, en la actualidad existen soluciones digitales que nos permiten abordar esta problemática de manera digital y muy eficiente. Uno de las aplicaciones de simulación avanzada de maquinado es el de la maqueta digital NC, la cual consiste en la definición de una maqueta digital funcional fdmu de todo el sistema NC en 3D, es decir, es posible definir los movimientos del centro de maquinado, además de diseñar el sistema de sujeción de la pieza, así como los cambios de herramienta de corte. 30 Entre otros e incluso es posible encontrar consultores independientes. 35

40 Figura 1 16 Ejemplo de Maqueta Digital NC 31. Este tipo de fdmu nos entregan como resultado un análisis computarizado de inferencias y colisiones entre pieza herramienta de corte dispositivo de sujeción centro de maquinado. Con lo cual podemos optimizar el diseño del sistema de sujeción e incluso podemos optimizar el tiempo ciclo de maquinado. Figura 1 17 Ejemplo de Maqueta Digital NC con centro de Maquinado 32. Adicionalmente a esta simulación, es posible ampliar las posibilidades de análisis a través de lo que se conoce como Emulador de Controlador, con el cual podemos correr una simulación de la maqueta digital y correr también la secuencia de programación G en el mismo instante, de tal manera que es posible realizar una programación tipo Off Line del sistema. 31 Fuente: 32 Fuente: Figura realizada por los autores. 36

41 Una programación Off Line indica que podemos realizar modificaciones del código G y ejecutar el procesos modificado en la maqueta digital del centro de maquinado y analizar el comportamiento del sistema al realizar estos cambios. La contraparte la programación Off Line, llamada programación On Line, indica ejecutar el proceso en piso, de manera alternada a la programación, lo cual es muy ineficiente y riesgoso. Con la programación Off Line, es posible detectar rápidamente problemas de código, de definición del sistema y de alcance de la máquina; para posteriormente proponer alguna solución y revisar la efectividad de éste cambio en el proceso. Una vez validada la programación, se es posible ejecutar los procesos en piso. Figura 1 18 Ejemplo de Maqueta Digital NC con centro de Maquinado de 5 Ejes Estudio de Tiempos y Movimientos Antecedentes históricos En el terreno industrial, siempre se han preocupado de los métodos de fabricación, sobre todo en periodos de fuerte competencia o crisis. Ya en el siglo XIX y en la primera parte del XX, hubo un 33 Fuente: 37

42 número de personas que establecieron las bases de la Organización científica del trabajo, como por ejemplo Frederick W. Taylor y el matrimonio Gilbreth. Desde 1885, después de que Taylor experimentase los nuevos métodos y verificase sus resultados, llego a la conclusión de que: La mayor producción se obtiene cuando un operario recibe una tarea bien definida. En 1912, publicó un resumen analítico del Estudio de tiempos. Sus bases se siguen aplicando actualmente. A la par de Taylor, los Gilbreth orientaban sus investigaciones en el Estudio de los Movimientos y Micro movimientos que son la base de la medida racional del trabajo. La realización de un movimiento, incluso el más pequeño que se pueda realizar, consume un tiempo y, por tanto, el binomio movimiento tiempo es inseparable El control de la Organización. Los factores que intervienen en la producción son: Hombres, Materiales y Máquinas, y se asume que el hombre es el factor más importante debido a que los materiales y las máquinas dependen también de éste, incluso desde el momento de su construcción o extracción. Si se considera la cadena productiva de un cierto bien, todo depende en exclusiva del hombre. Teniendo al hombre y, en particular, sus acciones en el área de producción como punto de partida para la medición de tiempos y movimientos, resulta necesario establecer una métrica que sirva como base así como de parámetro comparativo para poder mesurar y evaluar eficientemente los movimientos asociados a una determinada tarea y sus tiempos intrínsecos. Partiendo de esta necesidad, fue desarrollado el sistema MTM (por sus siglas en inglés Methods Time Measurement), siendo ampliamente usado y aceptado por la comunidad internacional Qué es MTM? El MTM es un sistema de tiempos y movimientos predeterminados que es usado básicamente en el ambiente industrial para analizar los métodos empleados para realizar cualquier operación o tarea y, como producto de ese análisis, fijar tiempos estándar en los cuales los trabajadores deberían completar una tarea. La unidad en la que se miden los movimientos bajo el sitema MTM es TMU (Time Measurement Unit): 1 TMU = 36 milisegundos; 1 hora = TMU 1 TMU = segundos Historia del Sistema MTM El sistema básico MTM fue desarrollado por HB Maynard, JL Schwab y GJ Stegermenten del Concejo de Ingeniería de Métodos (Methods Engineering Council) durante un trabajo de consultoría en Westinghouse Brake y Signal Corporation, en los Estados Unidos en la década de Este sistema básico y las reglas de aplicación del MTM fueron refinados, extendidos, definidos, probados industrialmente y documentados como resultado de más trabajo en los años posteriores. 38

43 En 1948, Maynard, Stegemerten y Schwab publicaron el libro Methods Time Measurement dando detalles completos a cerca del desarrollo del sistema MTM y sus reglas de aplicación. La aplicación del sistema MTM se vio primero en Estados Unidos y luego en otros países industrializados. En 1951 la USA / Canada MTM Association for Standards and Research fué formada por los usuarios del sistema MTM. Los creadores del sistema asignaron entonces los derechos del sistema a la MTM Association. Otras asociaciones usuarias del sistema MTM fueron creadas en una reunión en Paris en 1957 y se decidió formar la Internacional MTM Directorate (IMD) para coordinar el trabajo de las Asociaciones Nacionales. Las Asociaciones Nacionales que son miembros del IMD poseen ahora los derechos del sistema MTM en sus correspondientes territorios. Otros sistemas basados en MTM fueron desarrollados con posterioridad. MTM 2, una segunda generación fue desarrollada bajo el auspicio de la IMD en 1965; MTM 3, una gran simplificación, fué desarrollada en El sistema original MTM es comúnmente llamado MTM 1. Otros sistemas basados en MTM están siendo desarrollados para particulares áreas de trabajo por las Asociaciones Nacionales MTM UAS El sistema MTM UAS (Sistema Universal de Análisis) es un sistema de tercer nivel, reconocido universalmente, que fué elaborado para describir el desarrollo de un trabajo y determinar el tiempo nominal en cualquier tipo de actividad que presente las características de la fabricación en serie: Tareas del mismo tipo Lugares de trabajo optimizados Buena organización del trabajo Trabajadores entrenados. El desarrollo de estos datos se basa en los siguientes objetivos: Alta velocidad de análisis. Métodos de trabajo fácilmente reproducibles. Precisión suficiente. Aplicación universal. Pequeñas cantidades de datos. Este sistema se elaboró durante los años 1976 a 1978 por un grupo cuyos miembros pertenecen a la Asociación MTM Alemana, a la Asociación MTM Suiza, a la Asociación MTM de Austria, así como a empresas asociadas a estas tres instituciones. Los componentes de tiempo de este sistema de análisis y sus variables significativas se obtuvieron a partir de los análisis MTM 1 de operaciones típicas de fabricación en serie de diferentes plantas industriales. Se definieron 7 actividades y en la comprobación posterior, no se encontró ninguna actividad que no estuviera cubierta por los 7 bloques indicados. Estos bloques están estructurados de modo que incluyen una serie de movimientos delimitados en forma comprensible y que forman 39

44 un conjunto. Para disminuir aún más el número de datos, las distancias se condensaron en 3 áreas de distancias. El MTM UAS fué reconocido por el IMD en 1985 por considerarlo un desarrollo técnico exacto y cuyas características de precisión y velocidad de aplicación habían sido suficientemente probadas. Su velocidad de aplicación es como mínimo 8 veces más rápida que la del MTM MTM MEK Introducción a esta variante de MTM en la fabricación unitaria y de pequeñas series. El Sistema de Análisis MEK (MTM in der Einzel und Kleinserienfertigung MTM en la fabricación unitaria y de pequeñas series) es un sistema MTM de tercer nivel desarrollado para mejorar las posibilidades de aplicación del MTM básico en la fabricación unitaria y de pequeñas series, reduciendo el tiempo empleado en la realización de análisis. Este sistema, desarrollado por parte de las Asociaciones Alemana, Suiza y de Austria, sirve para: La descripción detallada del desarrollo manual del trabajo en estos campos de fabricación. Cálculo de tiempo. El desarrollo de estos datos se basa en los siguientes objetivos: Alta velocidad de análisis. Descripción reproducible del método de trabajo. Exactitud suficiente para el campo de aplicación cubierto. Aplicabilidad en cualquier empresa. Pequeñas cantidades de datos. Requerimientos sencillos en la formación y en la aplicación práctica. El sistema MEK tiene dos partes definidas: MEK Sistema de análisis. MEK Etapas estructurales (construidos y probados en el campo de elaboración de metales). El sistema MEK puede aplicarse en el análisis de todas las actividades manuales siempre que cumplan las premisas de aplicación de la fabricación unitaria y de pequeña serie. Así, pueden analizarse actividades de preparación, construcción de utillajes, construcción de aparatos en empresas de artesanía, montaje de maquinaria, mantenimiento, trabajos en astilleros Este sistema se elaboró, paralelamente al MTM UAS, durante los años 1976 a 1978 por un grupo cuyos miembros pertenecen a la Asociación MTM Alemana, a la Asociación MTM Suiza, a la Asociación MTM de Austria, así como a empresas asociadas a estas tres instituciones. Se definieron 7 actividades estructuradas de modo que incluyen una serie de movimientos delimitados en forma comprensible y que forman un conjunto. 40

45 Para disminuir aún más el número de datos, las distancias se condensaron en 4 áreas de distancias. El MTM MEK fue reconocido por el IMD en 1985 por considerarlo un desarrollo técnico exacto y cuyas características de precisión y velocidad de aplicación habían sido suficientemente probadas. Su velocidad de aplicación es de 16 a 50 veces más rápida que la del MTM 1 ( mtm Ingenieros, S.L., 2009). En el Anexo I se pueden encontrar las tablas que definen y clasifican cada uno de los movimientos según cada sistema Diagrama de Gantt El diagrama de Gantt (también conocido como gráfica de Gantt o carta Gantt) es una popular herramienta gráfica cuyo objetivo es mostrar el tiempo de dedicación previsto para diferentes tareas o actividades a lo largo de un tiempo total determinado. A pesar de que, en principio, el diagrama de Gantt no indica las relaciones existentes entre actividades, la posición de cada tarea a lo largo del tiempo hace que se puedan identificar dichas relaciones e interdependencias. Fue Henry Laurence Gantt quien, entre 1910 y 1915, desarrolló y popularizó este tipo de diagrama en Occidente. Por esta razón, para la planificación del desarrollo de proyectos complejos (superiores a 25 actividades) se requiere además el uso de técnicas basadas en redes de precedencia como CPM o los grafos PERT. Estas redes relacionan las actividades de manera que se puede visualizar el camino crítico del proyecto y permiten reflejar una escala de tiempos para facilitar la asignación de recursos y la determinación del presupuesto. El diagrama de Gantt, sin embargo, resulta útil para la relación entre tiempo y carga de trabajo. En gestión de proyectos, el diagrama de Gantt muestra el origen y el final de las diferentes unidades mínimas de trabajo y los grupos de tareas o las dependencias entre unidades mínimas de trabajo. Figura 1 19 Ejemplo de Diagrama de GANTT Fuente: 41

46 Diagrama PERT La Técnica de Revisión y Evaluación de Programas (en inglés, Program Evaluation and Review Technique), comúnmente abreviada como PERT, es un modelo para la administración y gestión de proyectos inventado en 1958 por la Oficina de Proyectos Especiales de la Marinaa de Guerra del Departamento de Defensa de los EE. UU. como parte del proyecto Polaris, misil balístico móvil lanzado desde submarino. PERT es básicamente un método para analizar las tareass involucradas en completar un proyecto dado, especialmente el tiempo para completar cada tarea, e identificar el tiempo mínimo necesario para completar el proyecto total. Este modelo de proyecto fue el primero de su tipo, un reanimo para la administración científica, fundada por el fordismo y el taylorismo. A pesar de que cada compañía tiene su propio modelo de proyectos, todos se basan en PERT de algún modo. Sólo el método de la ruta crítica (CPM) de la Corporación DuPont fue inventado en casi el mismo momento que PERT. La parte más famosa de PERT son las Redes PERT, diagramas de líneas de tiempo que se interconectan. PERT está diseñado para proyectos de gran escala, que se ejecutan de una vez, complejos y no rutinarios. Figura 1 20 Ejemplo de Diagramaa de PERT Método de la Ruta Crítica Método de la ruta crítica es comúnmente abreviado como CPM (por las siglas en inglés Critical Path Method). En administració ón y gestión de proyectos, una ruta crítica es la secuencia de los elementos terminales de la red de proyectos con la mayor duración entre ellos, determinando el tiempo más corto en el que es posible completar el proyecto. La duración de la ruta crítica determina la duración del proyecto entero. Cualquier retraso en un elemento de la ruta crítica 35 Fuente: 42

47 afecta a la fecha de término planeada del proyecto, y se dice que no hay holgura en la ruta crítica. El método de la ruta crítica fue inventado por la corporación DuPont. Un proyecto puede tener varias rutas críticas paralelas. Una ruta paralela adicional a través de la red con las duraciones totales menos cortas que la ruta crítica es llamada una sub ruta crítica. Originalmente, el método de la ruta crítica consideró solamente dependencias entre los elementos terminales. Un concepto relacionado es la cadena crítica, la cual agrega dependencias de recursos. Cada recurso depende del manejador en el momento donde la ruta crítica se presente. A diferencia de la técnica de revisión y evaluación de programas (PERT), el método de la ruta crítica usa ciertos tiempos (reales o determinísticos). Sin embargo, la elaboración de un proyecto basándose en redes CPM y PERT son similares y consisten en: Identificar todas las actividades que involucra el proyecto, lo que significa, determinar relaciones de precedencia, tiempos técnicos para cada una de las actividades. Construir una red con base en nodos y actividades (o arcos, según el método más usado), que implican el proyecto. Analizar los cálculos específicos, identificando las rutas críticas y las holguras de los proyectos. En términos prácticos, la ruta crítica se interpreta como la dimensión máxima que puede durar el proyecto y las diferencias con las otras rutas que no sean la crítica, se denominan tiempos de holgura Planeación Digital de los Procesos de Manufactura Una vez realizada la planeación del procesos de maquinado, en este trabajo se considera el realizar la planeación de la tareas de los operadores que realizarán la fabricación del herramental en la máquina NC y las tareas que efectuaran los operadores para la fabricación de la pala. Por tal motivo, a continuación se muestra el estado del arte al respecto. En la actualidad, los ingenieros encargados del diseño del herramental, de prácticamente cualquier sector industrial, no contemplan el análisis de las tareas de manufactura de los operadores, ya que comúnmente son procesos completamente automatizados y lo único que necesitan ésta fase es un estimado del tiempo ciclo que tomará el proceso en generar la pieza terminada, por ejemplo en un troquel progresivo o en un proceso de inyección de plástico. Sin embargo, existen procesos en los que la tecnología en materia de manufactura aún no ha llegado al punto de automatizar por completo el proceso y en donde es necesaria la participación de operadores que ejecuten directamente el proceso y que en ocasiones sean ellos mismos el sistema de traslado de material (MHS Material Handling System). En la siguiente imagen se muestran algunos ejemplos: 43

48 Figura 1 21 Procesos de Manufactura donde los Operadores son Ejecutan la Operación Manualmente 36. El proceso RTM para la fabricación de palas de aerogenerador precisamente forma parte de ésta extensa lista de procesos en los que es necesario el uso de operadores como recursos de manufactura, incluso el proceso es tan fuertemente dependiente de esto que en ocasiones, ciertos autores, lo mencionan como un proceso "artesanal". Sin embargo, en la actualidadd prácticamente no existe compañíaa que utilice este tipo de herramientas de programación virtual de tareas en el áreaa de producción de moldes para palas de aerogenerador, por lo cual, este trabajo intentara hacerr aportaciones en este mismo respecto, basándose en las aplicaciones que ya se han desarrollado en otros sectores industriales, tales como el aeroespacial, automotriz o energético. Para la definición de tareas, es necesario considerar, enn primer lugar, el diseño del espacio de trabajo del o los operadores que estarán realizando el proceso, es decir, es necesario diseñar el layout de la operación, incluyendo las herramientas que le servirán de apoyo para realizar su función. 36 Fuente: Figura realizada por los autores. 44

49 El diseño del espacio de trabajo debe considerar también la ruta critica que seguirá para el traslado de material, si es el caso, incluyendo la distancia a recorrer y la cargaa con la que se desplazará el operador a lo largaa de esta ruta. Para la definición de la secuencia de operación, los ingenieros de planeación regularmente se basan en la utilización herramientas de planeación, tales como los diagramas tipo GANTT y las graficas PERT. Todas estas herramientas que ya se explicaron en la sección del estudio de tiempos serán utilizadas de manera digital a través de las herramientas digitales de procesos. s y movimient planeación Instrucciones de Trabajo Virtuales Recientemente, en el estado de la técnica para manufactura se ha agregado una solución muy peculiar y novedosa conocido como Instrucciones de Trabajo Virtuales (WI Work Instructions) que hasta hace muy poco estaba muy limitada a la generación de animaciones cinemáticas con muy poca asimilación de los beneficios por parte de los ingenieros de procesos. Actualmente, existen herramientas en el mercado capaces de generar animaciones digitales provenientes directamente de la planeación de procesos y que a su vez pueden ser publicadas en la misma manera que se crearon, es decir, de maneraa digital. Con esto, un operador que se encuentra inmerso en el proceso directamente tiene la capacidad de accesar a la información en 3D de manera sencilla e intuitiva. tos de Figura 1 22 Instrucciones de Trabajo Virtuales en 3D Fuente: 45

50 Figura 1 23 Instrucciones de Trabajo Virtuales en Piso Fuente: 46

51 2. Definición del Producto 2.1. Planteamiento (una simple advertencia) El presente trabajo se enfoca al desarrollo (conceptualización y diseño) del herramental necesario para la fabricación de una pala de aerogenerador específica bajo condiciones de producción en serie. No obstante, no se contempla el diseño estructural y/o aerodinámico de la pala a fabricar, sin embargo, parte de éste último para la obtención de la superficie de la pala en cuestión. Cabe aclarar que el diseño estructural no ha sido realizado aún, de manera que, para la obtención del diseño conceptual de la pala y sus elementos, se toma como base la configuración de palas existentes de dimensiones similares y sus materiales para poder afrontar el problema con el mayor grado de realismo posible. En base a lo anterior, el problema es abordado bajo un escenario supuesto (aunque no por eso deja de ser realista) en el cual se considera un equipo de trabajo o un departamento especifico dentro de una empresa que se dedica al desarrollo de herramental, desde su conceptualización hasta la producción y validación de dicho herramental, que brinda soporte a la cadena de producción. En lo sucesivo, en el presente trabajo nos referimos al cliente como al organismo que solicita el servicio de este equipo de trabajo o departamento interno o externo. El objetivo de abordar el problema de esta manera es para poder delimitar el trabajo al área de desarrollo sin atender a las repercusiones que pueden llegar a tener las decisiones basadas en nuestra hipótesis 39 en aéreas de producción, cadena de suministros, entre otras y/o en la empresa en su conjunto, dado que es muy difícil conocer la estructura funcional y de costos de una empresa y mucho más aun suponerlas. Con el objetivo de abordar esta metodología de la manera más realista y funcional posible, se tomo un modelo de pala diseñado bajo parámetros estrictamente aerodinámicos (y desarrollada a través de algoritmos genéticos) como trabajo de tesis, que lleva por título Evolución de la familia de perfiles PARSEC mediante algoritmos genéticos para la optimización del diseño de la pala de un aerogenerador. Por otro lado y debido a que en el desarrollo del diseño aerodinámico no se contemplan cálculos de tipo estructural, ni la configuración de los elementos que componen en su conjunto a la pala, este trabajo toma como base la configuración de los elementos, así como los materiales, del modelo de aerogenerador NPS 100 fabricado por Northern Power Systems. 39 El uso de PLM en el desarrollo de proyectos de ingeniería incrementa considerablemente la eficiencia de quienes participan en dichos proyectos. 47

52 2.2. Requerimientos del Cliente El cliente requiere fabricar, bajo un esquema de producción en serie, palas de aerogenerador bajo los parámetros de la norma IEC En aras de cumplir con dicho propósito, el cliente precisa del herramental necesario diseñado bajo los siguientes parámetros de producción: La pala debe ser fabricada de materiales compuestos, El proceso de fabricación de la pala debe ser por transferencia de resina, RTM, Sistema de producción en serie. En base a lo anterior, la pala a fabricar tiene las siguientes especificaciones: Modelo de Línea Base (Baselie Model) Para la definición del modelo base de la pala es importante aclarar que para llegar a dicha definición se partió de una nube de puntos con las coordenadas en 3D que definieran la pala en su totalidad. Esta práctica es muy común en el campo industrial y a continuación se muestra la nube de puntos que en este supuesto el equipo de ingeniería de moldes ha recibido del cliente que solicita el trabajo. Figura 2 1. Nube de Puntos INTERNATIONAL STANDARD. Wind turbines, Part 2: Design requirements for small wind turbines. Otra norma para la certificación de aerogeneradores y sus componentes (asó como también de parques eólicos) ampliamente utilizada es la GL2003. Desarrollada por GL Renewables Certification, filial del Grupo GL. 41 Fuente: Figura realizada por los autores. 48

53 Partiendo de esta nube de puntos y haciendo uso de herramientas de diseño de superficies, se generó el modelo solido tridimensional de la pala objetivo que se necesita fabricar, a priori de diseño del molde, la cual se muestra en la siguiente imagen: Figura 2 2. Modelo de la Pala 42. Una vez que se definió perfectamente la geometría base de la pala, fué necesario realizar un análisis de desmolde así como un análisis de espesor. El objetivo de estos análisis es el evaluar, de manera inicial, la orientación de la caras de la superficie de la pala, así como el espesor de la secciones transversales de la misma; y con esto entender la complejidad del proceso, ya sea en la ingeniería misma de fabricación, pero también en la elección de los materiales adecuados para el molde. Estos análisis se pueden observar en las siguientes imágenes: 42 Fuente: Figura realizada por los autores. 49

54 Figura 2 3. Análisis de Desmolde 43. Figura 2 4. Análisis de Espesor 44. De este análisis es posible detectar dos puntos importantes: el primero es, que el ángulo de desmolde va alineándose con la línea de partición del molde continuamente, desde la zona de espesor máximo de cada cuerda, hasta los bordes de ataque y de salida. Con esto se asegura, por la naturaleza geométrica misma de la pala, que la extracción de las piezas no presentará problema alguno. El segundo punto es que, el hecho de que los espesoress son muy pequeños, comparativamente con la longitud de la pala, muestra claramente que será muy complicado llevar a cabo el proceso de manufactura que se planteó en la hipótesis inicial, en donde se proponía el uso de un sistema de molde único ensamblado con corazón de espuma, que pudiera sostener la fibra impregnada. 43 Fuente: Figura realizada por los autores. 44 Fuente: Figura realizada por los autores. 50

55 Lo anterior es un claro ejemplo de las ventajas que ofrece el trabajar en base a este tipo de plataformas PLM. Para poder plantear éste punto con mayor claridad, analicemos que habría sucedido si no se contara con PLM: Primero, no habría sido posible darnos cuenta del error que se había cometido al plantear un esquema de manufactura 45, sino hasta llevar a cabo la manufactura de la pala, momento en el cual se plantearía la necesidad de un rediseño. Segundo, con la finalidad de ahorrar tiempo de desarrollo, las empresas realizan diferentes etapas del diseño de manera simultánea lo cual, sin un sistema PLM, genera una impensable cantidad de trabajo adicional cuando se llevan a cabo rediseños, incluso cuando éstos son mínimos, debido a que no hay un sistema integrado de información que cargue, en todas la etapas de diseño, las modificaciones que se hacen en una sola. Al hacer uso de éste sistema fué posible observar de la problemática (en lo relativo a la manufactura) que se habría tenido que enfrentar de haber realizado la pala como se propuso en un inicio (pese a todas las ventajas que ésta ofrecía en lo referente al rendimiento aerodinámico y estructural) sin tener que haber llegado hasta la etapa de manufactura para darse cuenta de ello; con lo cual se tuvo un gran ahorro en tiempo y recursos, lo cual, en una empresa de grandes proporciones, genera un incremento considerable de beneficios técnicos y, como consecuencia, económicos. Por lo que se explico con anterioridad, es necesario re plantear el esquema de manufactura del molde, lo cual se analizará detalladamente en el capítulo correspondiente Componentes El diseño del prototipo consiste en un Recubrimiento superficial (Gel Coat), fibra de vidrio e glass a ± 45 y 0 ; y fibra de carbono IM1 a ±45 y 0 ; también Espuma PVC (PVC Foam) para el núcleo. Además, se ha agregado un corazón de madera balsa en la raíz, rodamientos (bushing) de cobre para la sujeción de la pala con el sistema aerogenerador y una viga principal de fibra de carbono IM1 a En el diseño conceptual inicial se propuso hacer la piel de la pala de una sola pieza para evitar, entre otras cosas, discontinuidades cerca del borde de salida para evitar a su vez el desprendimiento temprano de flujo y para aumentar, por otro lado, la rigidez en esta zona y así tener una mayor resistencia estructural. 51

56 Tabla 2 1. Materiales de laa Pala. Material E 1 46 GPa E 2 GPa G 12 ν 1 GPa 12 C260 Gel Coat Carbón IM Cast Cupper C86300 Bush E 850 G Pa; Density 8,,200 kg/m3 BalsaWood DBM1208 PVC Foam Density 192 kg/m3 ±45º Fiberglass ( mm) / 0º Fiberglass (0.186 mm) Density 75 kg/m3 En la siguiente imagen se muestra detalladamente cada uno de los elementos mencionados en la tabla anterior. Figura 2 5. Rodamientos de Sujeción 48. Figura 2 6. Corazón de la Raíz de Pala E 1 = Módulo de Young a 0, E 2 = Módulo de Young a 90, G 12 = In plane Shear Modulus, ν 12 = Módulo de Poisson. 47 Intermediate modulus, fibra de carbono para uso aeronáutico. 48 Fuente: Figura realizada por los autores. 49 Fuente: Figura realizada por los autores. 52

57 Figura 2 7. Viga Principal 50. Figura 2 8. Corazón de espuma PVC 51. A partir del diseño y las especificaciones del producto final, se puede desarrollar el herramental necesario para satisfacer dichas necesidades de diseño y fabricación, con las cuales se deben cumplir según la normativa antes mencionada. Figura 2 9. Pala de Fibra de Carbono y Fibra de Vidrio (Ensamble) Fuente: Figura realizada por los autores. 51 Fuente: Figura realizada por los autores. 52 Fuente: Figura realizada por los autores. 53

58 2.4. Secuencia del Apilamiento Final La secuencia de apilamiento final de cada una de las capas de fibra es determinada en base a las propiedades mecánicas de las fibras de acuerdo a su orientación. Es importante mencionar que todos los análisis que se realizaron para obtener esta secuencia de apilamiento deben ser realizados por el cliente que ha contratado el servicio de manufactura de los modelos, por lo cual no se abordará más detalles al respecto. Debido a que este trabajo de investigación no incluye la simulación de estas pruebas mecánicas para determinar la mejor secuencia de apilamiento, se ha decido recolectar información de diferentes fuentes de investigación en las cuales se proponen acomodamientos similares, sin embargo se hará uso principalmente de las recomendaciones realizadas por la Ref. X. Lo cual además agrega restricciones en la factibilidad de manufactura. Para poder enlistar esta secuencia de apilamiento se definirá la siguiente nomenclatura: [# x, n/# x, n.../# x, n]. Donde: # es la dirección (en grados) de la orientación de las fibras respecto al eje longitudinal de la pala. 0 indica que la fibra está corriendo en dirección de este eje longitudinal. 45 indica que la fibra está orientada 45 respecto al mismo eje longitudinal. X es el material de dicha capa. C es referenciado a fibra de carbón y G a fibra de vidrio. N es el número de capas. El último material enlistado en cada secuencia es el que toca la superficie del molde, mientras que el primer material listado en cada secuencia indica la capa que se encuentra interna en la pala. Por ejemplo, la secuencia de apilamiento [0c/0g/45g/0g/0c] tiene 2 capas de fibra de carbón y 3 de fibra de vidrio. La primera capa es de carbón a 0, y las siguientes dos capas de vidrio que están a 0 están acomodadas en sandwich con una capa de fibra de vidrio a 45. El laminado es simétrico alrededor de la capa de fibra de vidrio de 45. Tabla 2 2. Secuencia de Apilamiento. Sección Raíz Primer sección Sección Intermedia Sección de la punta de la pala Secuencia de Apilamiento [0g,1/0c,4/45c,1/0g,1/45c,1/0c,4] [0c/45g/0c/45g/0c] [0c/0g/45g/0g/0c] En la siguiente imagen se muestra la secuencia de apilamiento realizada a través de instrucciones virtuales generadas por las herramientas PLM. 54

59 Figura Secuencia Final de Apilamiento en 3D 53 En el siguiente apartado se aborda la problemática del desarrollo de este tipo de herramental sujeto a las condiciones de diseño y operación asumidas en este proyecto. Las decisioness y consideraciones tomadas se basan en el enfoque del proyecto, la utilización del herramental, requerimientos de diseño en base a normas de certificación y calidad; tomando en cuenta previos trabajos llevados a cabo en tornoo al proceso de fabricaciónn RTM Fuente: Figura realizada por los autores. 55

60 3. Diseño de Herramental 3.1. Consideraciones El diseño y la fabricación del molde es la parte más crítica para poder llevar a cabo un proceso de transferencia de resina exitosamente. Éste debe ser diseñado de forma tal que la resina impregne el material de refuerzo completamente y de manera uniforme. Para cumplir con su objetivo, el molde debe diseñarse de acuerdo a los siguientes factores: Material Diseño de la Cavidad Puertos de inyección y ventilación Sellado 3.2. Selección del Material El material con el que se construye el molde determina el ciclo de vida, control de la temperatura y la presión de trabajo del mismo. Existe una amplia gama de materiales con los que se puede construir dicho molde, cada una de ellas ofrece puntos a favor y en contra, pero la elección de cada una de ellas depende de las condiciones bajo las cuales se establezca el diseño del molde, condiciones que son establecidas muchas veces desde el mismo cliente. Comencemos, por ejemplo, con el aluminio que es un material idóneo cuando se trata de prototipos, dado que es muy fácil de maquinar y muy ligero, lo que facilita su manejo, maniobrabilidad y traslado. Otra opción, aunque poco utilizada pero factible, es fabricar moldes para RTM elaborados de material compuesto, ya que son ligeros y relativamente baratos. Sin embargo, está limitado a bajas temperaturas de manejo y presentan problemas cuando el proceso es asistido por vacío. Recientemente se han empleado moldes de aleaciones de cobre también, presentando mejoras en el rendimiento e incremento en la vida útil, así como también un muy buen desempeño operando a altas temperaturas. No obstante, el uso de este material sigue estando en la frontera de la investigación y su uso aún no tiene suficiente aplicación industrial como para poder ser utilizado con entera confianza. El acero es el material más ampliamente utilizado en moldes de RTM. Mientras que éstos presentan problemas en materia de maquinado y costos relativamente elevados, es la mejor opción cuando se trata de procesos de manufactura de producción en serie, debido al bajo desgaste que presenta el material. El factor crítico a la hora de seleccionar un material es el volumen de producción (no del molde, si no de la pieza que se va a fabricar con él) y la temperatura de operación. Un alto volumen de producción y altas temperaturas condicionan a hacer uso únicamente de moldes metálicos. Para nuestro caso particular, la temperatura no juega un rol importante (trataremos este tema más adelante), mientras que el volumen de producción sí. Debido a las condiciones de operación (producción en serie), el acero es el material idóneo para fabricar el molde, no solo por el volumen de producción, sino también por las características con las que debe cumplir la pieza final: un buen acabado superficial, intervalos de tolerancia cerrados, proceso asistido por vacío. El acero más 56

61 comercializado para la fabricación de moldes, tanto de inyección de plástico como de transferencia de resina, es el acero SISA P20. El acero SISA P20 pre templado es de uso general para la fabricación de moldes. Es ampliamente utilizado para el maquinado y electro erosionado de moldes de plástico y de RTM así como componentes para la fundición de zinc. Se comercializa pre templado a una dureza estándar de aprox. BHN (HRC 30 34). Además, se puede encontrar una versión de alta dureza, pretemplado a aprox. BHN (HRC 34 38). Normalmente no requiere un tratamiento térmico adicional, sin embargo, el acero SISA P20 se puede templar a durezas mayores para incrementar su resistencia. Enfriamiento al aceite es requerido, por lo tanto, un cuidado especial es necesario para reducir la distorsión o fractura. Provee además excelente pulibilidad y buen texturizado. Las propiedades mecánicas de este material pueden consultarse en el Anexo Diseño de General de la Cavidad del Molde En la actualidad existen diversos métodos de manufactura de palas de aerogenerador, uno de ellos consiste en fabricar la pala completa en una sola pieza. Este método ofrece mejores características de resistencia estructural y de rendimiento aerodinámico respecto de otros métodos debido a que no presenta discontinuidades a lo largo de la superficie. Sin embargo, es demasiado complejo de fabricar por razones que serán expuestas más adelante. Otro método consiste en fabricar la pala en moldes separados y finalmente unir las semi palas (o semi cáscaras) en un proceso posterior. No obstante, tiene la gran desventaja de que, en la línea de partición, es necesario remover el material curado de adhesión lo cual reduce la calidad del producto y, por supuesto, esto incide en las propiedades aerodinámicas de la pala. Al Comienzo de este trabajo de investigación se planteó la hipótesis de utilizar el proceso de una sola pieza. Sin embargo, gracias a las herramientas de diseño utilizadas se pudo observar perfectamente que era demasiado complicado llevar a la realidad este proceso y obtener resultados aceptables por diferentes razones. 57

62 Figura 3 1. Propuesta Inicial de Herramental 54. La primera razón es que los dos semi moldes debían ser maquinados con alto grado de exactitud tanto en su ensamblaje y, principalmente, al momento de unir las dos semi palas. Además se debía idear la forma en que la resina y el refuerzo fueran sometidos a presión constante hacia las superficies de las cavidades, lo cual mostraba como únicas soluciones el colocar una bolsa de presión o una pieza maquinada de espuma para mantener el refuerzo y la matriz en su posición durante el proceso de curado. Otro punto en contra de haber elegido este método es el hecho de que una vez que el molde estuviera cerrado, el proceso se llevaría a cabo sin ninguna posibilidad de inspeccionar visualmente la impregnación de la resina, lo cuál puede ser un requerimiento importante del cliente. Por su puesto esto no es aplicable para materiales pre impregnados, sin embargo, si se eligieran este tipo de materiales, se generarían además de la integridad del molde, nuevos problemas de manufactura a resolver como lo es la necesidad de utilizar un autoclave que además fuera lo suficientemente grande para acomodar el molde completo. 54 Fuente: Figura realizada por los autores. 58

63 Corazón de Espuma Piel de la Pala Cavidad A Cavidad B Figura 3 2. Análisis de Sección del molde de una sola pieza 55. Así mismo, cabe señalar que se observaron detalles adicionales que respaldan ésta toma de decisión. Primero, es claro observar que el posicionamiento de los puertos de inyección es en extremo complicado, ya que debe entrar resina por ambas cavidades la misma velocidad y aunque puede ser prescindible el modo en que se impregna las semi palas, sí es necesario considerar que deben mantener de manera simétrica las cantidades de fracciones volumétricas. En segundo lugar, se tomó en cuenta que en el campo industrial actual de los grandes generadores eólicos se opta en su totalidad por el proceso de dos cavidades que posteriormente son unidas y debido a que el objetivo de esta tesis es el replicar una situación muy realística, el primer concepto no se apegaría mucho a este objetivo. Estos puntos fueron muy importantes para cambiar finalmente de decisión y optar por el proceso de manufactura en el cuál se ocuparan dos cavidades por separado para obtener semi palas, las cuales serían posteriormente ensambladas a través de adhesión con resina. A continuación se muestra la maqueta digital del ensamble de molde que se realizó en una la aplicación de diseño en 3D. Así mismo, se agrega la imagen detallada de la cavidad con tolerancias geométricas y dimensionales basadas en la norma internacional ASME Y Fuente: Figura realizada por los autores. 59

64 Figura 3 3. Maqueta Digital 56. Figura 3 4. Características Dimensionales 57. Corazón Flexible Sello de Nitrilo Capas de Refuerzo de Fibra de Vidrio y Fibra de Carbono Cavidad de Acero SISA P20 Figura 3 5. Diseño de la Maqueta Digital Detallada del Molde Diseño de los puertos de inyección y ventilación Los puertos de inyección son los que suministran la resina (catalizada previamente) al interior del molde. Estos deben ser diseñados para que permitan la impregnación total de la pieza y colocados 56 Fuente: Figura realizada por los autores. 57 Fuente: Figura realizada por los autores. 58 Fuente: Figura realizada por los autores. 60

65 estratégicamente para que dicha fase de impregnación tenga lugar antes de la etapa de gelación. Los puertos de ventilación ayudan a controlar la presión dentro de las cavidades del molde, un adecuado posicionamiento de éstos permitirán que la resina se distribuya uniformemente a lo largo del material de refuerzo. Para procesos asistidos por vacío, los puertos de ventilación son sustituidos por puertos de vacío. Figura 3 6 Estado de la Matriz vs Tiempo 59. Los canales de drenado, utilizados en diversos tipos de procesos de fabricación por moldeo, son la principal razón por la cual se presenta fuga de resina, debido a que ésta no fluye en retroceso. Es por ello que los moldes RTM no hacen uso de ellos. Una de las técnicas que han presentado mejores resultados es posicionar los puertos de inyección en la parte más baja del molde y los de ventilación o vacío en las partes más altas. Esto permite que el aire fluya de manera más natural permitiendo que la resina llegue a todas las partes de la pieza. Diseñadores con la suficiente experiencia usan la simetría para la colocación de los puertos de inyección y ventilación, debido a que se observa que la resina se distribuye de manera simétrica alrededor de estos puertos. Esta es una parte crítica en el diseño del molde ya que los puertos de ventilación deben colocarse de manera tal que guíen la resina las zonas más complicadas o difíciles de impregnar. El diseñador debe tomar muy en cuenta este aspecto dado que existen, en algunas piezas de geometría muy caprichosa, que presentan callejon sin salida (end dead) a los que la resina no llegaría por sí misma. Para evitar estos y otros inconvenientes, se sugiere ampliamente las simulaciones numéricas (también conocidas como de elemento finito ) para poder tener una certeza de la eficiencia de la colocación de estos puertos. Para poder predecir la trayectoria que recorre la resina a través de las fibras de material compuesto en la fase de impregnación se hace uso de la ley de Darcy Fuente: Handbook of Composites, 2da ed. S. T. Peters. 61

66 En la actualidad existe una aplicación de software muyy práctica para realizar este análisis de impregnación conocido como PAM RTM propiedad de la compañía francesa ESI Group. Esta aplicación está enfocada específicamente a la simulación de manufactura materiales compuestos a través del métodoo RTM. Este software aporta grandes ventajas de integración de algoritmos de simulación en la geometría de origen de CATIA V5. Esta aplicación integrada en su totalidad igualmente permite analizar las inyecciones sobre el modelo de CAD, el cual garantizaa la coherencia de los flujos de datos geométricos en los procesos de mejora continua. El ahorro generado, es notable, tanto en los plazos como en los costes (NoticiasB2B, S.L., 2007) 61. Adicionalmente a todas las ventajas comerciales que pueda tener esta aplicación, nuestro interés sobre la misma recae en que ésta está integrada perfectamente al proceso PLM ya que puede incluirse dentro de la interfaz V5 de DS (CATIA, DELMIA). Con esto es posible aprovechar perfectamente los diseños tridimensionales de la pala, dando como resultado la reducción considerable del ciclo de simulación asociada directamente a la concepción de un molde y los resultados de la simulación. Figura 3 7. Simulación de Impregnación en el software PAM RTM La Ley de Darcy describe las características del movimiento dee un fluido a través de un medio poroso. La expresión matemática de la Ley de Darcy es la siguiente: Dónde: Q = gasto o caudal en m 3 /s. L = longitud del medio poroso, en metros K = una constante, actualmente conocida como coeficiente de permeabilidad de Darcy, variable en función del material de la muestra, en m/ /s. A = área de la sección transversal del medio poroso, enn m 2. h 3 = altura sobre el plano de referencia que alcanza el fluido en un tubo colocado a la entrada de la capa filtrante, en metros. h 4 = altura sobre el plano de referencia que alcanza el fluido en un tubo colocado a la salida de la capa filtrante, en metros. 61 Fuente: /asp/aspcomunicados.asp?nid= Fuente: Figura realizada por los autores. (1) 62

67 Sin embargo, el objetivo del presente trabajo se limita al uso de un sistema PLM para el desarrollo de un bien o servicio y no contempla cálculos como aquellos que son necesarios para poder aplicar de la Ley de Darcy en nuestro caso particular (de hecho, éstos son, por si solos, tema suficiente como para una tesis aparte) y por otro lado, es importante resaltar el hecho de que debido a que este proyecto de tesis es estudiantil, no se cuentan con recursos económicos para adquirir licenciamiento de este software y sobretodo también al elevado costo de la aplicación (aprox. 20, USD). Debido a lo anterior, la estimación de la posición óptima de estos puertos de inyección y vacío se basa en investigaciones previas en el mismo respecto tomando como modelo el molde diseñado bajo este esquema de simulación a cargo de Cairns y Rossell 63, en el trabajo Fluid Flow Modeling of Resin Transfer Molding for Composite Material Wind Turbine Blade Structures, en donde fueron modelados tanto un conjunto de dos puertos de inyección en la raíz de la pala, así como un conjunto de tres puertos de inyección a lo largo de la pala. El impregnado con múltiples puertos de inyección reduce el tiempo de llenado de la pala por un factor de 10. En base a lo anterior, el molde contiene tres puertos de inyección para el impregnado del extradós e intradós, respectivamente, así como dos puertos de vacío en la raíz de la pala y uno en la cuerda de punta, como puede verse en la Figura 3 8. Puertos de Inyección Puertos de Vacío Figura 3 8. Puertos de Inyección y Vacío Sellado del molde El sellado del molde permite una distribución adecuada de la resina dentro de las cavidades del molde, evita las fugas de la misma así como el desperdicio. Sin embargo, el uso de sellos no solo se 63 Department of Chemical Engineering, Montana State University Bozeman, Bozeman, Montana. 64 Fuente: Figura realizada por los autores. 63

68 vuelve necesario cuando se usa vacío en el proceso, forma parte de los aspectos críticos del proceso. La presión necesaria en el proceso RTM para logar una mejor impregnación del material de refuerzo a lo largo de toda su superficie es de 690 KPa (100 psi). En el caso de procesos asistidos por vacío, ésta presión de vacío se encuentra en el rangoo que va de los 740 mm Hg hasta los 760 mmhg. Para lograr esto de manera satisfactoria, es necesario el uso de un material adecuado a lo largo del perímetro del molde que ajuste con precisiónn para evitarr fugas de aire y caídas de presión. Para ello se usan O Rings, que son anillos de goma que se venden como piezas estándar de una muy amplia gama en variedad y propiedades. El material del sello depende de la temperatura de operación, siendo el sello de Nitriloo es más usado y recomendado para temperaturas de hasta 120 C y el sello de Silicón para temperaturas que van desde los 120 C hasta 177 C. En el caso de nuestro molde, el sello de Nitrilo es el más adecuado, el cual se muestra en la Figura 3 9: Figura 3 9. Sello de Nitrilo Sistema de calentamiento y enfriamiento El uso de elevadas temperaturas es recurrente debido a que ayudan al proceso de curado de la resina mientras que, por otro lado, para el proceso de desmoldee es necesario disminuir la temperatura a niveles aceptables para la debida manipulación del herramental. Por esa razón los moldes deben tener un adecuado sistema de calentamiento y enfriamiento para poder controlar estas temperaturas y poder así llevar a cabo un proceso dee manufactura eficiente. Algunos sistemas incluyen una red de tuberías o canales dentro del molde por donde hacen pasar fluido a altas temperaturas que calienta, de manera regular si es posible, el molde; contienen también un área de intercambio térmico paraa el proceso de enfriamiento para facilitar, como ya se dijo, el desmolde. 65 Fuente: Figura realizada por los autores. 64

69 Esta parte del diseño no resulta relevante para el objeto de estudio debido a que el proceso bajo el cual se planea fabricar la pala de aerogenerador descarta el uso de autoclave para el curado debido a la problemática que surge respecto a los termoesfuerzos y las deformaciones en el molde debido a las altas temperaturas que se manejan dentro de estos sistemas, deformaciones que inevitablemente se trasmiten a la pieza y que provocan defectos fuera de tolerancias Tabla de Resultados En la siguiente tabla señalamos los materiales empleados en la fabricación del molde y algunas de sus especificaciones técnicas: Tabla 3 1. Materiales del Molde. Componente Material Especificaciones Molde Acero SISA P20 Módulo de Elasticidad: 30X10 6 psi (207 GPa) Densidad: 7860 kg/m³ (0.284 lb/in³) Dosificador* Mezclador dosificador para moldeado por transferencia de Mesclador* resina (RTM) (bomba de pistón). Marca: Atlas RTM Bomba de Vacío* Vacuminder TM Modelo Estándar Ref. de pieza: 3229 Sellos* O Rring NBR ASTM D2000 M3CH714, A25, B14, EO16, EO36, Z1 Nitrilo Pines Guía* ABG0812 Bujes para sistemas embalados, a semipresión Lamina Components *Partes Estándar. Las especificaciones de éstas pueden consultarse en el Anexo II 65

70 4. Manufactura Virtual. En el capítulo anterior se desarrolló a detalle el diseño del herramental necesario para la producción de la pala de aerogenerador de acuerdo a los requerimientos establecidos por el cliente. En este capítulo se abordará el tema de la manufactura virtual a través de la simulación de procesos necesarios para poder fabricar el molde y además de diseñar el herramental necesario (jigs and fixtures) para realizar el proceso ensamblaje final de la pala de aerogenerador. Así mismo, se definirán las tareas que los operadores encargados del proceso de manufactura de la pala para diseñar el lay out completo del proceso Simulación de Maquinados por Control Numérico En el estado del arte de este trabajo de investigación se mencionó claramente la importancia del área de manufactura NC (expresión internacional de Control Numérico) siendo una de las áreas de ingeniería de mayor impacto en la industria de herramental. Por tal motivo se creyó conveniente incluirlo en la cuestión de manufactura virtual como sección primordial. La metodología para la planeación del proceso de manufactura NC consiste en 4 importantes etapas que a continuación se mencionan y posteriormente se desarrollarán a detalle: Definición del Producto a Maquinar Posicionamiento y Sujeción Estrategia de Maquinado Herramientas de Corte y Maquinaria NC Programación y Simulación del Proceso Producto a Maquinar La definición del producto de maquinado es referente a los elementos de inicio y fin del proceso, es decir que en éste punto se definen a detalle el Stock (Pieza Inicial, Tejo, etc.) y la Target Part (Pieza Objetivo). Por su puesto el Stock es una pieza que se ensambla con la Pieza Objetivo definiendo el material de sobra con que se iniciara y que será removido a través del proceso de maquinado. A continuación se muestran ambas piezas dimensionadas a través de tolerancias geométricas y dimensionales basada en la norma ASME Y

71 Figura 4 1. Target Partt 66. Figura 4 2. Stock Posicionamiento y Sujeción El posicionamiento se ha referido a la localización y orientación de los sistemas ejes de maquinado y la sujeción está relacionado con el montaje del productoo a maquinar.. En la planeación y ejecución de cualquier proceso de maquinado es común utilizar dos sistemas coordenados; uno referido a la producto a maquinar al cual en este trabajo de investigación se le ha nombrado AXIS. El segundo es relacionadoo con la máquina y se le ha nombrado como MAXIS en referencia al término Machine Axis. La localización del origen del sistema de coordenadas del MAXIS se encuentra exactamente en el centro de la mesa de trabajo (vista en planta), el cual se mostrará más adelante. Respecto al 66 Fuente: Figura realizada por los autores. 67 Fuente: Figura realizada por los autores. 67

72 posicionamiento del producto de maquinado, se muestraa en referencia de estos dos sistemas de coordenadas tal y como se describe en las siguientes imágenes: Figura 4 3. Product Axis 68. Figura 4 4. Machine Axis 69. Una vez definidos los ejes de referencia para la localización del producto a maquinar, es necesario definir el sistema de sujeción a utilizar en el ensamble completo de maquinado. En la actualidad se utilizan diferentes sistemas de sujeción y uno de ellos es loo que en español se conoce como "Bridas de Sujeción" o en inglés "Fixtures", los cuales sujetan la pieza de manera lateral y se muestran a continuación: 0. Figura 4 5. Fixtures Fuente: Figura realizada por los autores. 69 Fuente: Figura realizada por los autores. 70 Fuente: Figura realizada por los autores. 68

73 Herramienta de Corte y Maquina NC El sistema NC que se utilizó para realizar el proceso de maquinado está compuesto por una máquina CNC (Control Numérico Computarizado) y una lista de herramientas de corte principalmente compuestas de una sola pieza, los cualess son enlistados en la lista de recursoss o ResourcesList tal y como se muestra a continuación. Figura 4 6. ResourcesList 71. En lo que respecta a la máquina CNC, es importante aclarar que fue extraída de la librería estándar del software CATIAA V5 sin ninguna marca en específicoo y tiene la capacidad de movimientoo 5 grados de libertad o también nombrados como 5 ejes. Figura 4 7. Modelo de CNC 72. Figura 4 8. CNCC de 5 ejes SHWMS Adicionalmente, cabe señalar que en la maquinaria se manejan dos sistemas coordenados para referenciar, en primer lugar, los movimientos posibles de la máquina y en segundo para referenciar los movimientos de la herramienta de corte. En las siguientes imágenes se muestran los ejes lineales XYZ para los dos sistemas de referencia. 71 Fuente: Figura realizada por los autores. 72 Fuente: Librería estándar del software CATIA V5. 73 Fuente: cnc.es/1 cnc router.html. 69

74 y Y z Z x En la siguiente tablaa se muestran los atributos principales de la máquina CNC de 5 ejes, entre los que destacan las velocidades de avance máximas y RAPID (Prototipo Rápido, Rapid Prototipe ). Este avance denominado RAPID es el avance estándar quee puede ser seleccionado en algunos movimientos rápidos de aproximación, retracción, entre otros. Además, en la siguiente tabla se mencionan también las coordenadas de inicio de la máquina y las coordenadas del punto de cambio de herramienta tal y como se muestra a continuación. Rapid feedrate Home point X Home point Y Home point Z Orientation K Orientation J Orientation I Figura 4 9. Sistemas de Coordenadas del CNC 74. Tabla 4 1. Atributos Principales de la Máquina CNC de 5 Ejes. Spindle attributes Machine : 5 Axis XYZCB mm/mn Type : MfgGenericMillMachine 870mm 750mm 655mm Max machining feedrate Tool change attributes Tool change point X Tool change point Y Tool change point Z Radius compensation Tip compensation Contact compensation X mm/mn 0mm 0mm 100mm NO NO NO La elección de las herramientas de corte para cada proceso se basó en diferentes factores del proceso de maquinado, tales como: las dimensiones de laa superficie a maquinar, el material de la pieza, la calidad esperada. El resultado de esta elección es la definición del material de la herramienta de corte, sus dimensiones y, por supuesto, suu composición. 74 Fuente: Librería estándar del software CATIA V5. 70

75 Existen diferentes materiales en que están fabricadas estas herramientas de corte, entre los cuales están los de acero de alta velocidad o HSS (High Speed Steel) los cuales son mayormente utilizados y en ocasiones con cierta cantidad de cobalto o titanio para aumentar su dureza, mejorar su rendimiento o tiempo de vida. Estas cantidades suelen variar del 5 al 8%. Para la elección del material de la herramienta de corte se tomó en consideración el material del molde, que en este caso es Acero SISA P20, con lo cual se pueden manejar altas velocidades de corte, debido a ello se eligió acero de alta velocidad fabricado a través de metalurgia de polvos. Éste tipo de herramientas tienen además el beneficio de entregar acabados de alta precisión en maquinados de superficies en 3 ejes, algo necesario para el molde que se está fabricando, sobre todo en la sección de la cavidad de la pala. Finalmente cabe señalar que el Acero es muy susceptible a pegarse en la herramienta. Sin embargo, para herramientas de corte HSS E PM, ésta cuestión no afecta el rendimiento de las mismas gracias al recubrimiento de cobalto con la que cuentan. Respecto a la composición de la herramienta, existen diferentes opciones y estas dependen de la estrategia a utilizar y el producto a maquinar. En el caso del molde se utilizaran herramientas tipo End Mill, ya que se trata de desbastes y acabos con variación continua a lo largo de 3 ejes de la máquina. Dentro de las herramientas de este tipo, existen dos diferentes composiciones: en una sola pieza y de insertos indexados. En este proceso de manufactura se ha optado por la de una sola pieza, principalmente porque es recomendada para maquinados de superficies 3D. Los parámetros que definen este tipo de herramientas son: Punta (plana, de bola, redondeada), número de gavilanes o dientes (hasta 10), ángulo de hélice de ataque (25, 40, 50, etc.), tipo de perfil del borde de corte (N, NR, NRF, etc.) y el tipo de mango (plano, Weldon, Clarkson, etc.) En la siguiente imagen, así como en la taba de listado de herramientas, se muestra la composición de las herramientas de corte que se utilizaron en el proceso de manufactura del molde. 71

76 Figura Herramienta de Corte Tipo End Mill. Figura Modelo de Cortador 75. Tabla 4 2. Listado de Herramientas de Corte. Lista de Herramientas Herr. 1 : End Mill D40 Rc0 (Square Tool) Listado de Herramientass de Corte Diámetro Longitud Diámetro de esquina lc: 35 mm Db: 40 mm l: 60 mm 0 mm Tecnología Highh Speed Steel (Powder metallurgy) D: 40 mm L: 100 mm 4 Flutes Herr. 2 : End Mill D10 Rc0 (Square Tool) Db: 10 mm D: 10 mm lc: 50 mm l: 50 mm L: 100 mm 0 mm Highh Speed Steel (Powder metallurgy) 4 Flutes Herr. 4 : End Mill D5 Rc4 N (Ball end Tool) Db: 5 mm Db: 5 mm lc: 20 mm l: 20 mm L: 80 mm 2..5 mm Highh Speed Steel (Powder metallurgy) 4 Flutes Herr. 5: End Mill D40 Rc0 (Corner Radius Tool) Db: 10 mm D: 40 mm Lc: 50 mm l: 50 mm l: 50 mm 5 mm Highh Speed Steel (Powder metallurgy) 4 Flutes Estrategia de Maquinado La estrategia de maquinados es referida a la secuencia dell proceso, incluyendo los parámetros de maquinado utilizados, tales como: estilo de la estrategia, la elección de las herramientas para cada etapa del proceso, velocidades de corte y del husillo. 75 Fuente: Librería estándar del software CATIA V5. 72

77 Respecto a estos parámetros, a continuación se describenn las fórmulass para su cálculo, así como un esquema en un proceso de desbaste convencional: (2) (3) Figura Esquema de los Parámetros de Maquinado 76. Dónde: RPM = Revoluciones por Minuto V f = Velocidad de Avance (mm/min) V c = Velocidad de Corte (m/min) Z = Número de gavilanes de la herramienta f z = Avance por gavilán de corte (mm/diente) Para el cálculo de las velocidades de avance y del husillo, se partió de tablas de recomendación de velocidades de corte de acuerdo al material a maquinar, que en este caso es Acero SISA P20, la cual se muestra a continuación: Figura Velocidades Típicass de Corte Fuente: Custom PartNet. 73

78 Figura Estrategia de Maquinado 79. Figura Tasa de Profundidad de Corte (Aproximada) 78. Respecto a la estrategia de maquinados, se ha elegido realizar 5 etapas: 1 de Desbaste, 2 de Semi acabado y 2 de Acabado de alta precisión, tal y como se muestra en la siguiente imagen: En la primera etapaa de desbastee se programó una trayectoria helicoidal en niveles de Z, ya que, de acuerdo a la geometría, éste es el estilo más adecuado; además se activó el parámetro de HSM (High Speed Milling) utilizando un radio de 1mm para el reconocimiento de esquinas, esto es con el fin de reducir el desgaste de la herramienta, así como evitar problemas en el proceso real. Posteriormente, se programaron dos etapas de semi acabado en los cuales se eligió un estilo conocido como Sweeping, que consiste en maquinar en movimientos de Zig Zag a través de planos transversales. En cada operación de semi acabado se activó el parámetro HSM, y la velocidad de corte en ambas operaciones es del 70% respecto a su equivalente en las operaciones de desbaste. Finalmente se desarrollaron 2 etapas de acabo de precisión, la primera para maquinar la superficie de la cavidad y la segunda para seguir 1 guía, la cual servirá para alojarr la junta del molde. En estas operaciones se utilizó una velocidad de avance del 50% respecto al primer desbaste y las mismas RPM. 77 Fuentes: 78 Fuentes: 79 Fuente: Figura realizada por los autores. 74

79 En la siguiente tabla se muestra a detalle la estrategia utilizada para el maquinado de la cavidad del molde. Tabla 4 3. Programa de Manufactura. Program cutting time Program total time Tool Change.1 Roughing.1 Manufacturing Program.1 3h 4' 32'' 3h 6' 44'' Tool : End Mill D40 Rc0 Approach Feedrate: 7500 mm/min Retract Feedrate: 7500 mm/min Machinig Feedrate: 7500 mm/min Quality: Roughing Spindle Speed: 8000 rpm Tolerance: 0.1 mm StepOver: 20 mm Depth of Cut: 5 mm Tool Change.2 Tool : End Mill D10 Rc0 Approach Feedrate: 7500 mm/min Retract Feedrate: 7500 mm/min Sweeping.2 Sweeping.3 Tool Change.3 Advanced Finishing.4 Tool Change.4 Curve Machining.5 Machinig Feedrate: 4000 Quality: Finishing Spindle Speed: Roughing Tolerance: 0.1 mm StepOver: 5mm Depth of Cut: 1mm Machinig Feedrate: 4000 Quality: Finishing Spindle Speed: Roughing Tolerance: 0.1 mm StepOver: 5mm Depth of Cut: 1mm Tool : End Mill D10 Rc5 Ball end Tool Approach Feedrate: 7500 mm/min Retract Feedrate: 7500 mm/min Machinig Feedrate: 3500 mm Quality: Finishing Spindle Speed: rpm Tolerance: 0.1 mm StepOver: 0.5 mm Depth of Cut: 0.5 mm Tool : End Mill D5 Rc4 N Approach Feedrate: 7500 mm/min Retract Feedrate: 7500 mm/min Machinig Feedrate: Quality: Finishing Spindle Speed: 8000 rpm Tolerance: 0.1 mm StepOver: 1 mm Depth of Cut: 5 mm 75

80 Simulación y Programación Finalmente en la próxima sección se mostrará detalladamente a través de un diagrama de flujo la simulación del proceso terminado. Figura Cambio de Herramienta 80. Figura Desbaste Inicial 81. Figura Semi acabado en la Superficie Plana 82. Figura Semi acabado 1 en la Cavidad del Molde 83. Figura Semi acabado 3 en la Cavidad del Molde 84. Figura Acabado de Precisión en la Cavidad 85. Figura Acabado para Seguir Curva para Junta Fuente: Figura realizada los autores. 81 Fuente: Figura realizada los autores. 82 Fuente: Figura realizada los autores. 83 Fuente: Figura realizada los autores. 84 Fuente: Figura realizada los autores. 85 Fuente: Figura realizada los autores. 86 Fuente: Figura realizada los autores. 76

81 Finalizada la simulación es posible analizar el resultadoo final de la pieza con la cual se puede detectar el material remanente, penetración excesivaa sobre la cavidad, así como posibles colisiones. Todo esto se puede obtener de manera visual a través de espectro de colores. A continuación se mm: muestra dicho análisis tomando en cuenta una tolerancia superficial de Figura Análisis Visual de Resultados 87. Una vez validado visualmente el proceso, además de verificar que la programación no tiene colisiones con la pieza o la mesa de trabajo, así como de que el proceso esté dentro del alcance de los movimientos de la máquina, se obtuvo el código NCC que será insertado directamente en la máquina CNC. Cabe señalar que el software CATIA únicamente genera el código en formato APT o ISO y para obtener el código NC se hizo uso de un post procesador capaz de generar el código para el controlador de la máquina CNC, en caso de realizar el maquinado real. A continuación se muestra una sección del código obtenido del post procesador de la marca IMS para el controlador Acramatic2100. Figura Interfaz del Post Procesador NC Fuente: Figura realizada por los autores. 88 Acramatic2100, IMS. 77

82 Figura Código NC Para el Maquinado de la Piezaa Simulación de Tareas de Operadoress Al inicio de este trabajo de investigación se mencionó el hecho de que se abarcarían todas las fases de desarrollo de un molde para fabricación de palas de aerogenerador, tomando en cuenta no soloo el diseño en 3D del producto, sino también la simulación de los proceso de manufactura en los que participaa el herramental. El siguiente capítulo consistirá en la definición y simulación de las actividades que los operadores realizarán para las conexiones de los puertos de inyección y de vacío. La intención de desarrollar estas simulaciones es el agregar el factor humano al proceso de manufactura en el cual es utilizado el molde que se diseñó y mecanizó previamente. Con esto es posible determinar el tiempo ciclo que lleva fabricar una pala de material compuesto haciendo uso de dicho molde, además de analizar si las operaciones pueden ser realizadas sin ningún riesgo de fatiga excesiva o lesión de los operadores. Además, el resultado de estas simulaciones podrá ser utilizado comoo material de entrenamiento para el área de manufactura de la OEM que ha contratado el servicio de la compañía de consultoría e ingeniería que se ha tomado como ejemplo en este trabajo de investigación. En esta sección además se mencionará la mayor parte operadores que estarán llevando a cabo el proceso. de los aspectos ergonométricos de los 89 Fuente: Figura realizada por los autores. 78

83 Maqueta Digital 3D El primer paso paraa definir las actividades de los operadores es modelar la maqueta digital que servirá como escenario de trabajo en el que se desarrollarán los procesos, tomando en cuenta los espacios necesarios para alojar el sistema de manufactura, así como las herramientas que utilizarán los operadores en dicho sistema. Los elementos que conforman el sistema completo en el taller de manufactura son: la bomba de vacío, la máquina de inyección de resina, el ensamble del molde, las mangueras de conexión, los puertos de inyección así comoo los de succión y finalmente los operadores quienes se han nombrado como Néstor (pantalón rojo) y Miguel (pantalón azul) en referencia a los autores de este trabajo. En la siguiente imagen se puedee observar en el ambientee de DELMIA Human 90 la maqueta digital configurada de acuerdo al taller de manufactura en que see fabricará la pala del aerogenerador. Figura Maqueta Digital del Taller de Manufactura de Palas de Aerogeneradorr Antropometría de los Operadores En cualquier proceso de manufactura es imprescindible considerar la antropometría 92 del personal que estará elaborando las tareas ya que una eficiente definición de tareas permitirá optimizar el rendimiento del personal lo que implica una mejora en la eficiencia de producción. 90 DELMIA Human es una de las configuraciones del software PLM de Dassaultt Systemes y que contiene una amplia gama de soluciones de ergonomía para diferentes ramass industriales. En el caso de este trabajo de investigación se utilizar licenciamiento académico. 91 Fuente: Figura realizada por los autores. 92 La antropometría es la ciencia que estudia las dimensiones del cuerpo humano haciendo uso de la estadística y determinando aquellos valores que son considerados como promedio en el hombre. Desde luego no todas las personas ajustan sus parámetros a los tomados como modelo, apareciendo medidas que bien por exceso o bien por defecto se alejarán de los valores promedio determinados con anterioridad, estos valores que no se corresponden con los valores promedio no deben ser tomados en cuenta. 79

84 La antropometría de los operadores está definida por diferentes parámetros o variables dimensionales lineares del cuerpo humano, así como de las limitaciones angulares de cada una de las articulaciones; además está muy ligada con la región poblacional de la cual provienen dichos operadores. Estos parámetros son definidos de acuerdo al percentil 93 de la población al que pertenezca el maniquí a analizar. En el caso del operador Néstor, se eligió una antropometría característica a los franceses correspondiente al 50 percentil P 50 de la población mundial; y en el caso del operador Miguel se eligió de una población coreana correspondiente al 30 percentil P 30. En las siguientes imágenes se describen los parámetros dimensionales del cuerpo humano. Figura Parámetros lineales de dimensionamiento del cuerpo humano 94. A continuación se enlistan en la siguiente tabla los valores considerados para los operadores Miguel y Néstor: Tabla 4 4. Parámetros lineales de los operadores 95. Variable Miguel Néstor Stature Axilla height Sleeve Outseam Acromion radiale lenght Radiale stylion length Chest height, standing Waist height, omphalion Crotch height, standing Chest breadth Waist breadth Hip breadth, standing Bimalleolar breadth Wrist wall lenght Wrist wall lenght, extended Thumptip reach Span Una medida de posición muy útil para describir una población, es la denominada 'percentil'. Es el valor tal que supera un determinado porcentaje de los miembros de la población. en 1885 P 25 = Q1. P 50 = Q2 = mediana. P 75 = Q3. 94 Fuente: Figura realizada por los autores. 95 Los títulos se presentan tal y como aparecen en el software. 80

85 Así mismo, es importante considerar que el cuerpo humano tiene restricciones angulares en cada una de las articulaciones y que limitan la capacidad de movimientoo y que en total enlistan 48 articulaciones en las 17 zonas del cuerpo. Por su puesto, el valor de estas restricciones depende de las dimensiones de cada una de las extremidades, así como lesiones o problemas congénitos del operador. Sin embargo, considerando la estadística general se han tomado en cuenta las limitaciones angulares correspondientes a los percentiles elegidos. Adicionalmente, en la sección final de este documento (Anexo III) se enlistann en una tabla detallada las limitaciones angulares para cada uno de loss operadores de acuerdo a los grados de libertad posibles (DOF) en cada segmento del cuerpo humano. A continuación se articulaciones. muestran algunas de las distancias angulares posibles para cada una de las Figura Limites angulares de los operadores Definición de Posturas y Movimientos s Para realizar el diseño de los movimientos de los operadores en las actividades de manufactura es necesario conocer previamente el proceso que consiste en el apilamiento de las capas de material compuesto sobre la cavidad de la pieza, para posteriormente ensamblar el corazón flexible del molde. Una vez realizada esta tarea se deben conectarr los puertoss de inyección y de vació y finalmente encender la máquina de resina, así como la bomba de vacío. Una vez definido el proceso global, es posible determinarr las tareas de manufactura a realizar por cada uno de los operadores iniciando con la conexión de los puertos de inyección tanto por Miguel como por Néstor tal y como se muestra a continuación. Cabe señalar que no se incluyeron las 96 Fuente: Figura realizada por los autores. 81

86 tareas de ensamblaje del molde debido a la falta de tiempo para finalizar este proyecto de investigación, sin embargo se proponen como parte del trabajo a futuro de este proyecto. Figura Definición de las primeras 3 posturas de movimiento dentro del proceso de manufactura 97. La siguiente actividad consiste en el traslado de los operadores a la máquina de inyección y la bomba de vació. Para esto, el diseño de la ruta de traslado de los operadores para este trabajo de investigación se ha basado en el uso de la técnica para manufactura esbelta conocida como spaghetti diagrams 98 la cual consiste en trazar a mano alzada líneas de conexión entre los puntos de inicio y fin de una trayectoria. Estas líneas no deben ser rectas sino más bien deben tener cierta curvatura similar a un hilo de espagueti cocido. Figura Trayectoria del operador Néstor desde la mesa de trabajo hacia la bomba de vacío (diagrama de espagueti) 99. Haciendo uso de las herramientas de DELMIA Human Simulation es posible trazar las trayectorias del operador a través de puntos y definiendo la líneas con cierta curvatura regida por una curva tipo spline 100 tal y como se puede observar en la imagen vista en planta de arriba. Una vez que los 97 Fuente: Figura realizada por los autores. 98 Los diagramas de espagueti (spaguetti diagrams) son una herramienta muy utilizada en el ámbito productivo para el análisis de actividades y trayectorias de traslado de los operadores con el fin de eliminar las actividades que no agregan valor al producto y como consecuencia optimizar el uso de los recursos humanos en la planta de manufactura. 99 Fuente: Figura realizada por los autores. 100 En matemáticas, una spline es una curva lo suficientemente suavizada regida por una función polinomial. 82

87 operadores Néstor y Miguel han llegado a la posición de la bomba de vació y de la máquina de inyección respectivamente, realizan la apertura de las válvulas de que permitirán la inyección de la resina en la cavidad del molde. A continuación se muestra esta actividad en las siguientes imágenes. Figura Posturas del operador Néstor durante el encendido de la bomba de vacío 101. Finalmente, la última actividad de cada uno de los operadores es regresar a la mesa de trabajo en donde está colocado el molde, para esperar a que el proceso de impregnación se lleve a cabo. Figura Ruta del operador Néstor al regreso a la mesa de trabajo Fuente: Figura realizada por los autores. 102 Fuente: Figura realizada por los autores. 83

88 Análisis de Visión En la definición de las actividades de los operadores es posible revisar el campo de visión de cada uno de ellos, lo que nos permite analizar el espacio de trabajo para determinar si contiene las herramientas necesarias para llevar a cabo el proceso además de verificar si su posición en el proceso le permite tener una mejor visión del sistema de manufactura. Los principales parámetros de variación del cono visual son: el monocular horizontal, el ambinocular horizontal (AMB), el campo visual vertical, el campo visual inferior y el cono visual frontal. En seguida se muestran los principales parámetros del cono visual: Figura Parámetros del cono visual 103. Con la herramienta de manufactura digital DELMIA Human es posible incrustar el campo de visión binocular de cado operador tomando en cuenta una distancia focal de 300 mm, un ponctum proximum de 50 mm y un cono visual de 6. En las siguientes imágenes es posible observar el campo de visión del operador Miguel en 3 de las posturas dentro del proceso. Figura Análisis de campo de visión del operador Miguel en diferentes posturas Fuente: 104 Fuente: Figura realizada por los autores 84

89 Diagramas de PERT Y GANTT Una vez realizadas las actividades, se han obtenido las gráficas de evaluación y revisión del programa (PERT 105 ) y de planificación de tareas (GANTT) con el objetivo de analizar las actividades del proceso de manufactura de manera esquemática. En la gráfica de PERT es posible observar, a través de las líneas de enlace, que solo existen dos actividades principales para los operadores y que además son simultáneas. El motivo de que ambas sean simultaneas es par a optimizar el tiempo de ambos operadores y además porque no existe ninguna restricción para que alguno de ellos tenga que esperar para que el otro termine. Figura Diagrama de PERT para las actividades de los operadores 106. Finalmente, en el diagrama de GANTT podemos observar los tiempos que le lleva realizar cada una de estas actividades y además el tiempo que se han establecido para las posturas que toman estos operadores. Para esto es importante mencionar que la velocidad de movimiento se ha establecido del 80 al 85% del estándar que es de m/s; es decir, la velocidad promedio utilizada en cada operación fué de a m/s. Por último, el tiempo ciclo total del proceso fue de seg PERT: Program Evaluation and Review Technique 106 Fuente: Figura realizada por los autores. 85

90 Figura Gráfica de GANTT de las actividades simultáneas de los operadores Néstor y Miguel Simulación y Análisis Una vez definidas las tareas a realizar por los operadores, se realizó el análisis ergonómico en cada una de las posturas haciendo uso del método RULA 108 (Rapid Upper Limb Assessment), el cual consiste en evaluar aquéllas posturas que supongan una carga más elevada. La aplicación del método comienza con el análisis de la actividad del trabajador durante varios ciclos de trabajo. A partir de este análisis se deben seleccionar las tareas y posturas más significativas, bien por su duración, o bien por presentar, a priori, una mayor carga postural; estas serán las posturas que se evaluarán. Si el ciclo de trabajo es largo se pueden realizar evaluaciones a intervalos regulares. En este caso se tomará en cuenta, además, el tiempo que pasa los operadores en cada postura. Cabe señalar que el método debe ser aplicado al lado derecho y al lado izquierdo del cuerpo por separado. Las mediciones a realizar sobre las posturas adoptadas son fundamentalmente angulares (los ángulos que forman los diferentes miembros del cuerpo respecto de determinadas referencias en la postura estudiada). Estas mediciones pueden realizarse directamente sobre el operador virtual gracias a que la herramienta DELMIA Human permite seleccionar segmentos que representan precisamente estos miembros tal y como se muestra en la siguiente imagen. 107 Fuente: Figura realizada por los autores. 108 RULA (Evaluación Rápida de Extremidades Superiores). Este método fue desarrollado por los doctores McAtamney y Corlett de la Universidad de Nottingham en 1993 (Institute for Occupational Ergonomics) para evaluar la exposición de los trabajadores a factores de riesgo que pueden ocasionar trastornos en los miembros superiores del cuerpo: posturas, repetitividad de movimientos, fuerzas aplicadas, actividad estática del sistema musculo esquelético, etc. 86

91 Figura Gráfica de colores RULA para el operador Miguel 109. El método RULA divide el cuerpo en dos grupos, el grupo A que incluye los miembros superiores (brazos, antebrazos y muñecas) y el grupo B, que comprende las piernas, el tronco y el cuello. Mediante las tablas asociadas al método, se asigna una puntuación a cada zona corporal (piernas, muñecas, brazos, tronco, etc.) para, en función de dichas puntuaciones, asignar valores globales a cada uno de los grupos A y B. A continuación se muestra el análisis de postura en el caso del operador Miguel en el momento en que enciende la máquina de inyección y ajusta los valores de presión. Figura Puntuación final y gráfica de colores para la postura de encendido de máquina de inyección 110. La clave para la asignación de puntuaciones a los miembros es la medición de los ángulos que forman las diferentes partes del cuerpo del operario. El método determina para cada miembro la forma de medición del ángulo. Posteriormente, las puntuaciones globales de los grupos A y B son modificadas en función del tipo de actividad muscular desarrollada, así como de la fuerza aplicada durante la realización de la tarea. Por último, se obtiene la puntuación final a partir de dichos valores globales modificados. El valor final proporcionado por el método RULA es proporcional al riesgo que conlleva la realización de la tarea, de forma que valores altos indican un mayor riesgo de aparición de lesiones músculo esqueléticas. 109 Fuente: Figura realizada por los autores. 110 Fuente: Figura realizada por los autores. 87

92 El método organiza las puntuaciones finales en niveles de actuación que orientan al evaluador sobre las decisiones a tomar tras el análisis. Los niveles de actuación propuestos van del nivel 1, que estima que la postura evaluada resulta aceptable, al nivel 4, que indica la necesidad urgente de cambios en la actividad. En la siguiente imagen se puede observar el resultado final del análisis RULA de 7 global para la postura del operador Néstor en el momento que se inclina para encender la bomba de vació en donde se puede detectar que en la zona del antebrazo (forearm) es necesario modificar la posición angular para reducir el riesgo a una fractura o desgaste excesivo del operador. Figura Puntuación final y gráfica de colores, resultado del análisis RULA 111. A continuación se muestra el análisis tomado a las posturas de los operadores durante diferentes tiempos del proceso, en el cuál se puede determinar que algunas de estas posturas arrojan una alta puntuación de riesgo a lesiones, por tal motivo es necesario modificar dichas posturas y optimizar las tareas haciéndolas más adecuadas a las condiciones de cada uno de los operadores que participaran en la producción de las palas del aerogenerador. 111 Fuente: Figura realizada por los autores. 88

93 Figura Secuencia de imágenes resultantes de la simulación del proceso de manufactura y análisis RULA Fuente: Figura realizada por los autores. 89

94 5. Estudio de Factibilidad Económica En este capítulo se aborda un estudio de factibilidad económica con la finalidad de demostrar la viabilidad, desde el punto de vista financiero, de invertir en un sistema PLM para desarrollos de proyectos. El problema de la factibilidad económica se abordad suponiendo una empresa que brinda el servicio de consultoría en materia de ingeniería dentro de una entorno económico y una condición de mercado determinados. En lo sucesivo, se plantean estas consideraciones de manera más detallada así como algunos conceptos básicos necesarios para la correcta interpretación tanto de los supuestos como de los resultados Inversión bajo incertidumbre y Evaluación de proyectos La Economía define a la Inversión como el acto de incurrir en un costo inmediato bajo la expectativa de futuras retribuciones; desde este punto de vista, las decisiones de inversión son mucho más comunes de lo que parecen a simple vista: desde una compañía con un proyecto de expansión en puerta, o una persona que emplea (invierte) su tiempo en una educación vocacional, hasta la decisión de dar de baja una empresa que opera bajo pérdidas, es una inversión : Los pagos que se deben llevar a cabo para extraer a la empresa de su situación contractual, incluyendo liquidaciones y seguros (e.g. como el de desempleo), entre otros, son el costo inicial, y la perspectiva de retribución es la expectativa de una reducción de futuras perdidas a las que se incurrían en el caso de que dicha empresa decidiera seguir operando La Teoría Moderna La manera en la que las decisiones de inversión son vistas desde el punto de vista económico, ha ido sufriendo cambios notables con el paso del tiempo y, sobre todo, con la implementación de nuevos modelos para el enfoque y estudio de este tipo de análisis en muy diversos sentidos. La necesidad de implementar estos nuevos modelos nace de la evidencia; por ejemplo, comparado con los primeros modelos de evaluación de proyectos, las decisiones de inversión en el mundo real parecen ser mucho menos sensibles a los cambios en las tasas de interés y en la política fiscal (o impositiva), y mucho más sensibles a la volatilidad del entorno económico y a la incertidumbre respecto al mismo. Sin embrago, muchos de los modelos econométricos (y económicos, en general) que implementan supuestos más realista con el fin de estimar de mejor manera las oportunidades de inversión, se encuentran aún en la frontera de la investigación y resultan poco prácticos para nuestro objetivo en el presente capítulo. Debido a ello, en el presente apartado (La Teoría Moderna ) se ofrece una aproximación teórica y cualitativa a las decisiones de inversión bajo incertidumbre contempladas desde un nuevo (o, mejor dicho, no ortodoxo) punto de vista que, aunque poco experimentado, está sustentado en base a supuestos sólidos y difícilmente discutibles. Dicha aproximación teórica se lleva a cabo con la finalidad de complementar el siguiente apartado (La Teoría Convencional) en el cual se aborda el tema desde el punto de vista convencional, y de esta 90

95 manera ofrecer una perspectiva más amplia acerca de cómo se lleva a cabo la toma de decisiones en vista a un proyecto de inversión en puerta Un nuevo punto de vista De acuerdo con Dixit y Piandyck (1994), las decisiones de inversión, en su mayoría, comparten tres principales características en diferentes grados: Primero, las inversiones son parcial o completamente irreversibles. Es decir, el costo inicial de una inversión es, al menos, parcialmente hundido 113 ; el inversionista no recobraría dicho monto en caso de cambiar de opinión una vez tomada la decisión de invertir. Segundo, existe una cierta incertidumbre en cuanto a las futuras retribuciones de dicha inversión. En el mejor de los casos, se puede estimar la probabilidad de obtener cada uno de los posibles ingresos. Tercero, se cuenta con un cierto margen de acción en cuanto al momento en el que se decide invertir. Siempre se puede posponer la decisión con la finalidad de obtener más información acerca de las futuras condiciones del mercado. Estas tres características interactúan al momento de determinar la decisión óptima que debe tomar un inversionista, y es esta interacción la piedra angular de la teoría moderna. La teoría ortodoxa de la inversión no reconoce las importantes implicaciones cualitativas y cuantitativas de esta interacción entre irreversibilidad, incertidumbre y la posibilidad de determinar el momento en el que se decide tomar la decisión de invertir; y las más recientes teorías apuntan a esta negligencia como el motivo por el cual la teoría ortodoxa se aleja (en muchos casos, mas no en todos) de la realidad La Teoría Convencional La regla básica de la teoría convencional de la inversión se conoce como Valor Presente Neto (VPN). El VPN es el resultado de la diferencia entre el valor presente de los beneficios esperados de una inversión y el valor presente de los costos de llevarla a cabo. La regla del VPN es también la base para la teoría neoclásica de la inversión, bajo esta teoría, en la optimización (cuando el nivel de inversión es tal que se obtienen los máximos rendimientos), se invierte hasta que el valor de una unidad adicional de capital sea exactamente igual a su costo. Es decir, hasta que el beneficio marginal de la inversión sea igual a su costo de implementación. El fundamento que sustenta la teoría neoclásica y su metodología, basada en la regla básica del VPN, consiste en un análisis sistemático de tipo Costo Beneficio. Cuando el valor presente neto es positivo, esto es un indicativo de que los beneficios (la suma total de los beneficios equivalentes en valor presente) superan los costos (la suma total de los costos equivalentes en valor presente). A continuación se muestra el planteamiento del problema de inversión en donde, bajo la teoría neoclásica de la inversión, se busca demostrar la factibilidad económica de incurrir en un proyecto de inversión 113 Un costo hundido es aquel en el que ya se ha incurrido independientemente de si se realiza o no el proyecto, por lo que no es relevante para la toma de decisiones y, por lo tanto, se deben suprimir en el análisis y la valuación de un proyecto. 91

96 que plantea la siguiente pregunta: Resulta económicamente factible invertir en tecnología PLM para el desarrollo de proyectos de ingeniería? 5.4. Planteamiento del Problema Se requiere saber si resulta económicamente factible invertir en tecnología PLM para el desarrollo del herramental necesario para la fabricación de las palas de aerogenerador. Para llevar a cabo este estudio de factibilidad económica es necesario calcular el Valor Presente de la serie de pagos que se requieren hacer para poder realizar dicho proyecto de inversión, así como el valor presente de los beneficios asociados al mismo; la diferencia entre el valor presente de los benéficos y el valor presente de los costos se conoce como Valor Presente Neto (VPN). Si el VPN es positivo, la inversión es económicamente factible ya que, de esta manera, se demuestra que los beneficios de dicha inversión superan a los costos de implementarla. Por qué es necesario traer a valor presente los costos y beneficios? O dicho de otro modo, Por qué no simplemente se realiza la diferencia entre los costos y beneficios totales? Debido a la existencia de una tasa de interés que opera en función del tiempo y una inflación que modifica el valor del dinero de un periodo a otro. Si todos los pagos se realizarán al mismo tiempo y los beneficios tuvieran lugar en el mismo instante que dichos pagos, obtener el valor presente sería absurdo, debido a que, en tal caso, el valor nominal de todas estas transacciones serian en valor presente. Sin embargo, dado que existe un factor inter temporal entre cada uno de los periodos en donde tienen lugar estas transacciones, es necesario traer todos estos valores nominales a valor presente. Para entender mejor la importancia de traer a valor presente las transacciones es preciso dejar en claro la importancia e influencia de la tasa de interés y la inflación en nuestra evaluación (y en la economía en general) Tasa de interés La tasa de interés es propiamente el valor porcentual al que se incrementa una determinada cantidad de dinero (capital o capital financiero) que se encuentra invertida. Si la cantidad de dinero en cuestión no se encuentra invertida entonces no existe una tasa de interés asociada. De lo anterior se puede deducir que depositar el dinero en una cuenta bancaria es una inversión (muy baja, de hecho, debido a que es casi % segura; las altas tasas de interés están asociadas a inversiones de alto riesgo 115 ). Dado lo anterior se puede concluir que la tasa de interés modifica la cantidad de dinero en el tiempo, debido a que lo incrementa de un periodo a otro; y es precisamente por ello que no se pueden comparar dos cantidades (tal como los costos y beneficios) si existe un intervalo de tiempo entre ellas. Ejemplifiquemos: No podemos 114 Sería 100% segura de no existir recesiones y depresiones tal como la de 1930 en E.U. y la de 2009, experimentada en casi todo el mundo. 115 Esta es una medida bajo la cual se pretende hacer atractivas las inversiones riesgosas (entiéndase riesgo como la incertidumbre de obtener beneficios concretos). 92

97 simplemente comparar $ el día de hoy con $ dentro de un año dado que los $ de hoy se habrán incrementado en un año, es decir, si se invierten esos $ en día de hoy, al final del año tendremos: $ Donde i representa la tasa de interés. En base a esta expresión matemática podemos decir que $ el día de hoy son equivalentes a $ X (1+i) dentro de un año (si la tasa de interés es anual), es decir, valen más esos $ el día de hoy que dentro de un año. Ahora bien, si la tasa de interés es del 10% la diferencia es tan solo de $10.00 y cualquiera podría cuestionarse la importancia de esa cantidad a lo largo de todo un año e incluso cuestionar la importancia de traer a valor presente el valor de las transacciones argumentando que $10.00, en 1 año, pueden considerarse casi despreciables, pero de ser así, ese cualquiera estaría perdiendo de vista que ese valor de $10.00 es debido a la cantidad base ($100.00) que se tomó y al hecho de que se consideró una tasa de interés anual, pero si en vez de considerar cien pesos fueran considerados cien mil dólares, y la tasa fuera mensual y no anual, la diferencia en un año sería de $ 3,766, (MXN), manteniendo una tasa de interés de tan solo 10% (y un tipo de cambio de 12 pesos/dólar). Esa cantidad resulta mucho más considerable incluso para cualquiera, y es en ese aspecto en donde reside la importancia de considerar la tasa de interés entre dos cantidades con diferente temporalidad Inflación Ya se ha mencionado que la inflación modifica el valor del dinero de un periodo a otro pero para poder entender lo anterior se debe tener muy en claro el papel que desempeña el dinero en la economía: El dinero, dentro de una economía, cumple con tres funciones: depósito de valor, medio de intercambio y unidad de valor. Enfoquémonos en la última. Una manera en la que medimos el valor de las cosas es a través de su precio, de ahí que un Ferrari (cualquiera) vale más que un Chevy (o que cualquier Chevrolet). Dicho lo anterior podemos considerar que el dinero es un patrón de medida de valor de los bienes y servicios, y las diferencias entre divisas son equivalentes a las diferencias entre el sistema internacional de medidas y el sistema inglés. Por otro lado, la inflación es in incremento porcentual del nivel general de precios en una economía (un decremento en el nivel general de precios se conoce como deflación. La deflación es una inflación negativa), por lo tanto podemos argumentar que la inflación modifica el patrón de referencia con el que medimos el valor de los bienes y servicios. Para entender mejor lo anterior tratemos de imaginar un mundo en el que las cosas cambien de longitud nominal periodo a periodo (mes a mes y/o año con año), en particular, que dicha medida se incremente. Dado a que (en un mundo bizarro como este) el valor de la longitud nominal de las cosas se incrementa periodo a periodo, esto es equiparable a que el Metro (la unidad principal de longitud del Sistema Internacional de Unidades) cambie periodo a periodo (en este caso, disminuye); Es decir, una regla de 30cm el día de hoy medirá 33cm el próximo periodo (dado un incremento del 10%), esto no implica que la regla crezca, si no que el patrón de referencia cambie, en particular, que 1cm 93

98 represente un intervalo espacial longitudinal cada vez menor de un periodo a otro. Ridículo? Pues eso es lo que pasa exactamente con el dinero como medida de valor debido a la inflación. Un producto cualquiera no incrementa de valor año con año, sino que es el dinero el que pierde valor año con año, debido a lo cual se necesita más dinero de un año a otro para comprar un mismo producto. Analicemos nuevamente nuestro ejemplo de $ el día de hoy respecto a $ dentro de un año. Debido a que existe una inflación anual, el precio de los bienes y servicios se incrementa de un año a otro, por lo tanto, $ el día de hoy pueden comprar una cantidad mayor el día de hoy de lo que comprarían dentro de un año (cuando las cosas cuesten más). Resulta claro ahora que la inflación reduce el valor del dinero en el tiempo. Analicemos, la tasa de interés aumenta la cantidad de dinero de un periodo a otro mientras que la inflación reduce el valor de dicha cantidad de dinero en el tiempo, entonces conviene o no invertir? O dicho de otro modo, al final de cada periodo aumenta o no nuestro poder adquisitivo? Para contestar lo anterior basta con restar el valor de la inflación al valor de la tasa de interés, el resultado se conoce como tasa de interés real 116 : En donde: (4) r = tasa de interés real i = tasa de interés nominal π = inflación Todos estos valores son porcentuales. Reordenando los términos, podemos mostrar que el tipo de interés nominal es la suma del tipo de interés real y la tasa de inflación: La ecuación mostrada de esta forma se denomina ecuación de Fisher, en honor al economista Irving Fisher ( ). El objetivo de todo lo anterior es enfatizar en la importancia de considerar la temporalidad que existe entre las serie de pagos y beneficios que tienen lugar al momento de realizar un proyecto de inversión, debido a los cuales resultaría económicamente desastroso el no contemplar la influencia que tiene el paso del tiempo en los valores nominales implicados en dicho proyecto de inversión. 116 Nota matemática: esta ecuación que relaciona el tipo de interés real, tipo de interés nominal y la tasa de inflación no es más que una aproximación. La fórmula exacta es (1+r) = (1 i)/(1+ π). La aproximación del texto es razonablemente exacta en la medida en que los valores de r, i y π sean relativamente bajos (por ejemplo, inferiores a 20% al año). 94

99 5.5. La solución del Problema Para poder llevar a cabo una evaluación económica funcional del proyecto es necesario realizar consideraciones y suposiciones que nos permitan elaborar un cálculo concreto de las implicaciones que conlleva el realizar (o no) dicho proyecto de inversión. Estas consideraciones definen el problema a resolver y se enuncian a continuación: Tomemos en cuenta a una empresa existente, con una estructura de costos real y una productividad real 117 ; esta empresa se dedica a la consultoría (interesada en el desarrollo de prototipos de ingeniería). Consideremos también una demanda existente de este servicio (consultoría), de manera tal que el excedente de producción esperado debido a la inversión planea cubrir parte de esta demanda existente de dicho servicio, es decir, no se espera una caída del mercado que implique un riesgo para la empresa en cuestión. Consideremos un escenario real en donde esta empresa no es la única en el mercado que brinda este tipo de servicio, es decir, la empresa opera bajo competencia perfecta. La empresa presenta rendimientos constantes a escala, lo que implica que el costo de producir una unidad adicional (un servicio de consultoría adicional) cuesta exactamente igual que todas las unidades anteriores (por lo tanto, presenta una curva de oferta horizontal). Todos los supuestos y consideraciones anteriores presentan todas las siguientes implicaciones: Una demanda existente: implica que no hay riesgo en la inversión, que existe un mercado identificado para el incremento de producción y que, por lo tanto, no hay incertidumbre en cuanto a la probabilidad de venta del servicio (esta probabilidad, a saber, es igual a 1). Rendimientos Constantes a Escala: esto implica que si la empresa incrementa sus factores de producción, su productividad se incrementa en igual proporción (si duplica su capital, infraestructura, mano de obra, etc., duplicara su producción). Esto conlleva a que la empresa brinde el servicio al mismo precio independientemente de cuál sea el volumen de producción. Como ya se mencionó, bajo este escenario la empresa presenta una curva de oferta vertical, es decir, la empresa brinda el servicio a un precio constante independientemente del volumen de producción. Competencia Perfecta: implica que existe un número considerable de empresas que brindan el mismo servicio de tal manera que si nuestra empresa en cuestión decide incrementar su producción (o dejar de producir) esto no afecta al precio de venta del servicio (para entender lo anterior considere que la oferta de demanda tiene una correlación negativa entre el precio y la cantidad, si el bien o servicio es escaso (poca cantidad) el precio es alto, mientras que si el bien o servicio abunda, su precio es bajo. El supuesto de competencia perfecta implica que la producción de dicha empresa es relativamente pequeña tal que su presencia (o ausencia) no representa un cambio suficientemente grande en el volumen de producción total como para influir en el precio). 117 Se tomara los datos de una empresa que de hecho existe, pero cuya identidad se mantendrá en el anonimato con la finalidad de evitar atentan en contra de sus intereses y acuerdos de cooficialidad. 95

100 Dado lo anterior, los únicos parámetros que inducen incertidumbre en este proyecto de inversión son los indicadores macroeconómicos que, en su conjunto, modelan el entorno económico. Estos son: la tasa de interés, la inflación y el tipo de cambio (dado que la inversión se realiza en USD). El proyecto de inversión presenta la siguiente serie de pagos para su implementación: Tabla 5 1. Flujo de Pagos. Canti dad Concepto Costo Unitario * Costo Total* Meses transcurridos para realizar el pago Frecuencia Primer Año 1 Adquisición de Equipo de Cómputo $20.00 $ Anual 1 CATIA (from 3D Design to NC Machining 3 axis) $ $ Pago único 1 Mantenimiento de Equipo de Cómputo $5.00 $ semestral 1 Salario especialista en CAD y NC $ $ Anual 1 Entrenamiento Software $40.00 $ Anual $ Segundo Año 2 Adquisición de Equipo de Cómputo $20.00 $ Anual 1 CATIA (from 3D Design to NC Machining 3 axis) $20.00 $ Anual 1 3DVIA Composer (Technical Documentation) $91.00 $ Pago único 3 Mantenimiento de Equipo de Cómputo $3.00 $ semestral 2 Salario especialista en CAD y NC $ $ Anual 1 Entrenamiento Software $40.00 $ Anual $ Tercer Año 3 Adquisición de Equipo de Cómputo $20.00 $ Pago único 1 CATIA (from 3D Design to NC Machining 3 axis) $20.00 $ Anual 1 3DVIA Composer (Technical Documentation) $10.00 $ Anual 96

101 Canti dad Concepto Costo Unitario * Costo Total* Meses transcurridos para realizar el pago Frecuencia 1 SIMULIA (for RTM process simulation) $ $ Pago único 2 Salario especialista CAD y NC $ $ Anual 1 Salario especialista en CAE $ $ Anual 6 Mantenimiento de Equipo $3.00 $ semestral 2 Entrenamiento Software $60.00 $ Anual $ Cuarto Año 4 Adquisición de Equipo de Cómputo $20.00 $ Pago único 1 CATIA (for Composites Design for Mfg) $ $ Pago único 1 CATIA (from 3D Design to NC Machining 3 axis) $20.00 $ Anual 1 3DVIA Composer (Technical Documentation) $10.00 $ Anual 1 SIMULIA (for RTM process simulation) $30.00 $ Anual 1 DELMIA (Assembly Working Process) $ $ Pago único 10 Mantenimiento de Equipo $3.00 $ semestral 3 Salario especialista CAD y NC $ $ Anual 1 Salario especialista en Planeación de Procesos $ $ Anual 1 Salario especialista en CAE $ $ Anual 2 Entrenamiento Software $60.00 $ Anual $1, Quinto Año 4 Adquisición de Equipo de Cómputo $20.00 $ Pago único 1 CATIA (for Composites Design for Mfg) $ $ Anual 1 CATIA (from 3D Design to NC Machining 3 axis) $20.00 $ Anual 1 3DVIA Composer (Technical Documentation) $10.00 $ Anual 97

102 Canti dad Concepto Costo Unitario * Costo Total* Meses transcurridos para realizar el pago Frecuencia 1 SIMULIA (for RTM process simulation) $30.00 $ Anual 1 DELMIA (Assembly Working Process) $ $ Anual 1 ENOVIA Smarteam (ERP) $ $ Pago único 14 Mantenimiento de Equipo $3.00 $ semestral 3 Salario especialista CAD y NC $ $ Anual 1 Salario especialista en Planeación de Procesos $ $ Anual 1 Salario especialista en CAE $ $ Anual 1 Salario especialista en Diseño de base de datos $ $ Anual 2 Entrenamiento Software $60.00 $ Anual $2, Partiendo de la información mostrada en la tabla anterior podemos trazar un diagrama de flujo efectivo para representar las series de pago en sus respectivos intervalos de tiempo. Para ello se realizará un diagrama de flujo de efectivo para cada serie de pagos correspondiente a cada año, es decir, en cada año en particular se realiza una serie de pagos que, a su vez, se extiende hasta el final del periodo (comprendido en 5 años) y para cada una de estas series de pagos se realizará un diagrama de flujo de efectivo con la finalidad de hacer más clara la temporalidad en la que tiene lugar estas diferentes series de pago. A fin de simplificar el análisis, los pagos de un mismo año con la misma frecuencia se sumaran para formar una única serie compuesta de pagos; a su vez, todos los pagos que se realizan a principio de cada año se sumaran entre sí y, posteriormente, con los valores presentes equivalentes de cada una de las series de pagos que tienen lugar en cada uno de los años. Al final, se traerán a valor presente cada uno de los pagos equivalentes anuales. 98

103 5.6. Pagos del Primer Año Mn 1 A 1 Dónde: Figura 5 1. Flujo de Pagos del Primer Año 118. P 1 = (Adquisición de Equipo de Cómputo) + (CATIA (from 3D Design to NC Machining 3 axis)) + (Entrenamiento Software) P 1 = = 281 A 1 = (Entrenamiento Software) + (Salario especialista en CAD y NC) A 1 = = 140 P 1 Mn 1 = (Mantenimiento de Equipo de Cómputo) Mn 1 = Pagos del Segundo Año P 2 Mn 2 A 2 Figura 5 2. Flujo de Pagos del Segundo Año Fuente: Figura realizada por los autores. 119 Fuente: Figura realizada por los autores. 99

104 Dónde: P 2 = (Adquisición de Equipo de Cómputo) + (CATIA (from 3D Design to NC Machining 3 axis)) + (3DVIA Composer (Technical Documentation)) + (Entrenamiento Software) P 2 = = 191 A 2 = (CATIA (from 3D Design to NC Machining 3 axis)) + (Entrenamiento Software) + (Salario especialista en CAD y NC) A 2 = = 360 Mn 2 = (Mantenimiento de Equipo de Cómputo) Mn 2 = Pagos del Tercer Año Dónde: Figura 5 3. Flujo de Pagos del Tercer Año 120. P 3 = (Adquisición de Equipo de Cómputo) + (CATIA (from 3D Design to NC Machining 3 axis)) + (3DVIA Composer (Technical Documentation)) + (SIMULIA (for RTM process simulation)) + (Entrenamiento Software) P 3 = = 510 A 3 = (CATIA (from 3D Design to NC Machining 3 axis)) + (3DVIA Composer (Technical Documentation)) + (Entrenamiento Software) + (Salario especialista en CAD y NC) + (Salario especialista en CAE) A 3 = = 618 Mn 3 = (Mantenimiento de Equipo de Cómputo) Mn 3 = Fuente: Figura realizada por los autores. 100

105 5.9. Pagos del Cuarto Año Mn 4 P 4 A 4 Figura 5 4. Flujo de Pagos del Cuarto Año 121. Dónde: P 4 = (Adquisición de Equipo de Cómputo) + (CATIA (for Composites Design for Mfg)) + (CATIA (from 3D Design to NC Machining 3 axis)) + (3DVIA Composer (Technical Documentation)) + (SIMULIA (for RTM process simulation)) + (DELMIA (Assembly Working Process)) + (Entrenamiento Software) P 4 = = 801 A 4 = (CATIA (from 3D Design to NC Machining 3 axis)) + (3DVIA Composer (Technical Documentation)) + (SIMULIA (for RTM process simulation)) + (Salario especialista en CAD y NC) + (Salario especialista en Planeación de Procesos) + (Salario especialista en CAE) + (Entrenamiento Software) A 4 = = 930 Mn 4 = (Mantenimiento de Equipo de Cómputo) Mn 3 = Pagos del Quinto (y último) Año Mn 5 Figura 5 5. Flujo de Pagos del Quinto Año 122. P 5 A Fuente: Figura realizada por los autores. 101

106 Donde: P 5 = (Adquisición de Equipo de Cómputo) + (CATIA (for Composites Design for Mfg)) + (CATIA (from 3D Design to NC Machining 3 axis)) + (3DVIA Composer (Technical Documentation)) + (SIMULIA (for RTM process simulation)) + (DELMIA (Assembly Working Process)) + (ENOVIA Smarteam (ERP)) + (Entrenamiento Software) P 5 = = 1584 A 5 = (CATIA (for Composites Design for Mfg)) + (CATIA (from 3D Design to NC Machining 3 axis)) + (3DVIA Composer (Technical Documentation)) + (SIMULIA (for RTM process simulation)) + (DELMIA (Assembly Working Process)) + (Salario especialista en CAD y NC) + (Salario especialista en Planeación de Procesos) + (Salario especialista en CAE) + (Salario especialista en Diseño de base de datos) + (Entrenamiento Software) A 5 = = 1591 Mn 5 = (Mantenimiento de Equipo de Cómputo) Mn 5 = Cálculo Para calcular el valor futuro de una cantidad de dinero tenemos la siguiente expresión: Dónde: F representa la cantidad futura equivalente P es la cantidad presente i es la tasa de interés, y n es el número de periodos transcurridos. Reordenando los términos tenemos: 1 (5) (6) La expresión anterior muestra el valor presente equivalente de un pago futuro para una tasa de interés dada y un número de periodos determinado. Cabe aclarar que esta ecuación es válida para un pago único; esta aclaración es pertinente dado que en la mayor parte de los proyectos de inversión se tienen pagos periódicos a intervalos regulares de una cantidad igual en cada uno de 122 Fuente: Figura realizada por los autores. 102

107 los periodos. Para encontrar el valor presente de una serie de pagos con esta característica tenemos la siguiente expresión: Donde: A representa la cantidad futura equivalente P es la cantidad presente i es la tasa de interés (i 0), y n es el número de periodos transcurridos. (7) Contamos con cada uno de los datos para encontrar el valor presente de los costos de nuestro proyecto de inversión, excepto con la tasa de interés, para la cual nos basaremos el indicador financiero publicado por El Banco de México: Figura 5 6 Tasa de Interés en el Tiempo 123. En la Figura 5 6 y asimismo en la tabla, podemos observar una muy marcada tendencia a mantener la tasa de interés a un nivel de 4.5% anual (la cual es la tasa de interés objetivo de EL Banco de México). Las fluctuaciones tan marcadas se debieron a la reciente recesión globalmente experimentada y conocida como crisis subprime. 123 Fuente: EL Banco de México 103

108 Con las expresiones (5), (6), (7) se calculó el valor presente 124 equivalente de cada una de las series de pago mostradas anteriormente (en los diagramas de flujo de efectivo) correspondientes a cada uno de los años en donde esta tuvieron lugar. El diagrama de flujo de efectivo queda ahora: Figura 5 7. Flujo de Efectivo Equivalente 125. En donde P E significa Pago Equivalente y sus respectivos valores se expresan en la siguiente tabla: Tabla 5 2. Valor Presente de los Costos. P E VPE 1 $ $ $ 1, $ 1, $ 2, $ 2, $ 2, $ 2, $ 3, $ 2, TOTAL $ 9, La columna de la izquierda muestra el valor de cada uno de los pagos equivalentes mostrados en el diagrama anterior y la columna de la derecha muestra el Valor Presente equivalente de cada uno de estos pagos, es decir, la cantidad equivalente en el año cero a una tasa de interés del 4.5%. Asimismo, la suma (representada en la tabla como TOTAL ) es el valor presente de los costos Los Beneficios La utilidad esperada tras un proyecto de inversión siempre es más difícil de determinar que los costos de la misma. Esto se debe, principalmente, a la incertidumbre de la actividad económica en lo sucesivo a dicho proyecto de inversión. En nuestro caso, dado que suponemos un escenario en donde hay una demanda existente destinada a ser cubierta por el excedente de producción (como resultado de invertir en tecnología PLM), esta incertidumbre es despreciable. Sin embrago, el problema no se simplifica del todo puesto que es muy complicado, y en algunos casos hasta 124 Este cálculo no es un valor presente propiamente. El cálculo consiste en encontrar el valor equivalente de las series de pago de cada año representadas como un pago único equivalente realizado al inicio de cada año. 125 Fuente: Figura realizada por los autores. 104

109 imposible, determinar el porcentaje de participación de la tecnología informática dentro de una cadena de producción, aun cuando es innegable que dicha contribución existe y es altamente considerable. Sabemos de antemano y por experiencia propia que el incremento en el flujo de beneficios, cuando se lleva a cabo una inversión en un sistema PLM, viene dado por la reducción del tiempo que toma, principalmente, la etapa de desarrollo y la optimización de un proceso libre de errores no previstos (esto se logra con la debida simulación de los procesos), lo que impacta de manera directa a los costos variables 126. Esta mejora en tiempo está representada por la Error! No se encuentra el origen de la referencia.. Figura 5 8. Comparativa entre Manufactura Virtual y Manufactura Convencional 127. No obstante, el porcentaje que representa la etapa de desarrollo en la cadena de producción total de un bien o servicio varía de una empresa a otra y la parte más complicada del análisis reside, precisamente, en determinar ese porcentaje y, así mismo, en qué medida se reduce el tiempo de desarrollo y la repercusión en el tiempo de entrega final (Time to Market). No obstante, el impacto que se ha venido observando en la productividad de las empresas a raíz de su incursión en el mundo de la manufactura virtual, ha sido tal que su magnitud se ha convertido en el objeto de estudio de una amplia gama de análisis de tipo económico en el mismo sentido. Es precisamente que, gracias a estos estudios, sabemos en qué medida es afectada cada una de las etapas de la producción de un bien o servicio: De acuerdo con la firma consultora CIMdata, las organizaciones que utilizan tecnologías de fabricación digital pueden, en promedio, reducir el tiempo de lanzamiento al mercado en un 30%, reducir los cambios de diseño en un 65%, 126 Los costos totales son la suma de los costos fijos y los variables, y la estructura de costos de cada empresa está determinada por su función de producción. Dicho propiamente, invertir en PLM cambia la función de producción actual de la empresa por otra función con mejores rendimientos (o, lo que es lo mismo, con costos variables más bajos). 127 Fuente: Virtual Concept > Real Profit with Digital Manufacturing and Simulation (Coze, Kawski, Kulka, Sire, Sottocasa, & Bloem, 2009) 105

110 y reducir el tiempo empleado en el proceso de planificación de la fabricación en un 40%.La producción puede ser incrementada en un 15% con una reducción general de los costos de producción en un 13% (Coze, Kawski, Kulka, Sire, Sottocasa, & Bloem, 2009). En particular, son los incrementos en la producción y la reducción de los cotos los que repercuten en un incremento de los beneficios debido a que: Donde: Son los beneficios de la empresa Son los ingresos Son los costos totales de producción (8) Sin embargo, los costos de cada empresa dependen directamente de la tecnología de la que hacen uso para llevar a cabo su producción y, en general para cualquier empresa, de los precios de los factores (como son la mano de obra, la renta de los bienes de capital e insumos, entre otros). No obstante, no se debe perder de vista los supuestos sobre los cuales fue planteado el problema, los cuales describen un entorno realista en cualquier economía (un mercado competitivo) y una característica esperada de cualquier empresa 128 (rendimientos constantes de escala), lo cual simplifica el contratiempo de resolver el problema de manera generalizada (para cualquier empresa y, por ende, para cualquier estructura de costos de producción) ya que los rendimientos constantes de escala, la maximización de los beneficios y la competencia implican conjuntamente que el beneficio económico es cero (Mankiw, 2007, págs ), lo cual puede ser demostrado a partir del teorema de Euler 129. Por lo tanto, podemos rescribir la ecuación anterior como: De donde, despejando encontramos: 0 (9) Sustituyendo en la ecuación original, agregando el incremento en la producción y la reducción de los costos tenemos: Esperar a que los rendimientos a escala de una empresa sean constantes equivale a esperar a que, al duplicar el tamaño de la empresa (dos plantas, el doble de trabajadores, el doble de maquinaria, etc.), la producción también se duplique. 129 Nota matemática: para demostrar el teorema de Euler, comenzamos con la definición de rendimientos constantes de escala:,. Ahora diferenciamos con respecto a y evaluamos e n

111 0.28 (10) Donde es el nuevo flujo de beneficios provenientes de invertir en tecnología PLM. La ventaja de tener el incremento en los beneficios en función de los ingresos reside en que éstos, a diferencia de los costos, sí son conocidos. No debemos perder de vista que los ingresos de cualquier compañía son el producto de la cantidad de bienes o servicios que produce por el precio de los mismos, es decir: Donde: es el precio del servicio de consultoría. es la cantidad de servicios que la compañía consultora brinda. (11) Por otro lado, sabemos que el valor comercial del servicio de consultoría, en promedio, oscila entre $50.00 USD y $35.00 USD por hora; por lo que anualmente, contemplando 40 horas por semana y 4 semanas por mes (lo que es igual a 1920 horas al año), se tiene un ingreso de $96, USD y $67, USD, respectivamente. Sin embargo, el incremento de 28% de los ingresos no se da paulatinamente debido a que la inversión no se realiza completamente de manera instantánea, sino que se lleva a cabo a lo largo de 5 años, comprando diferentes licencias cada año. Lo anterior presenta un esquema de incremento geométrico (conocido también como serie geométrica o escalonada en la rama de Ingeniería Económica) en donde cada año presenta un incremento porcentual constante de una cantidad llamada base, en periodos de pagos (o ingresos, que es nuestro caso) consecutivos. Debido a que el esquema de inversión plantado es constante en el tiempo (comprando 2 licencias nuevas por año) se espera que el flujo de beneficios sea también constante, alcanzando su incremento máximo (de 1.28) al final del año 5. La Figura 5 9 representa el flujo de efectivo para este esquema de retorno de inversión: 107

112 Figura 5 9. Flujo de Ingresos de los 5 años 130. Para traer a Valor Presente esta serie geométrica de flujo de efectivo es necesario calcular el valor presente de cada uno de los ingresos. Recordando que la ecuación para obtener el valor presente es: (12) Donde, en este caso, representa cada uno de los valores anuales; por lo tanto, el valor presente de la serie es la suma de todos ellos, es decir:. Despejando I como factor común Donde: es la tasa de interés nominal (tasa bancaria) y es igual a 4.5%. (13) son los ingresos. No se debe perder de vista que tenemos 2 valores de ingreso dependiendo del precio del servicio ($50.00 USD o $35.00 USD por hora). Sustituyendo el valor de la tasa de interés tenemos: Sustituyendo el valor de tenemos: Fuente: Figura realizada por los autores. 108

113 $219, USD $314, USD Donde: representa el Valor Presente de los beneficios con un precio de $50.00 USD por hora. representa el Valor Presente de los beneficios con un precio de $35.00 USD por hora. Contamos ahora con todos los elementos para poder obtener el VPN de incurrir en un proyecto de inversión concerniente a la adquisición de un sistema PLM para una empresa dedicada al servicio de consultoría de ingeniería. Recordando: Donde: es el Valor Presente Neto. es el Valor Presente de los Beneficios es el Valor Presente de los Costos Sustituyendo los valores correspondientes tenemos: (13) $219, $9, $314, $9, $,. $,. Donde y representan el Valor Presente Neto para un precio de servicio de $50.00 USD por hora y $35.00 USD por hora, respectivamente. 109

114 6. Conclusiones Con base a los estudios realizados y descritos en el presente trabajo, se pueden puntualizar de manera concreta una serie de conclusiones en lo referente a las 2 principales vertientes que se adoptaron: las relativas a la parte técnica y las relativas a la parte económica. Dichas conclusiones se enumeran a continuación De lo Técnico El presente trabajo de investigación se enfocó en el análisis detallado de las etapas más importantes del ciclo de vida del herramental para la manufactura de palas de material compuesto. Sin embargo, lo más interesante de este trabajo de investigación fue que se completó el objetivo final de establecer una metodología de desarrollo a través del uso de las herramientas digitales PLM. Uno de los logros obtenidos en este trabajo es el haber desarrollado de manera virtual e proyecto haciendo uso únicamente del recurso intelectual de los autores de este trabajo. Esto permitió revisar a detalle las principales problemáticas a los que se estaría enfrentando una compañía dedicada a la ingeniería de herramental de componente de material compuesto, planificando y evaluando la factibilidad de llevar a la realidad el molde. En el capítulo 4, dedicado a la manufactura virtual, se pudo simular y evaluar el proceso de maquinado obteniendo el tiempo ciclo, así como los recursos necesarios para llevar a cabo este proceso, tales como las herramientas de corte, la maquinaria NC y los dispositivos de sujeción. Además se obtuvieron datos interesantes de la simulación de tareas de los operadores, lo cual nos permitió evaluar las condiciones de trabajo durante el proceso con el fin de optimizar el tiempo ciclo del proceso y reducir los riesgos en las posturas. También fue posible evaluar la trayectoria propuesta a través del uso de diagramas de spaguetti con el objetivo de integrar técnicas de manufactura esbelta a las simulaciones. Uno de los grandes problemas de las compañías dedicadas a la ingeniería de herramental es la planeación adecuada de cada uno de los procesos, lo cual se pudo obtener perfectamente gracias a que el ambiente virtual nos permite realizar optimizaciones basado en técnicas probadas en el estado del arte pero también optimizaciones hechas a prueba y error lo cual es aceptable ya que no se genera ningún costo atribuible a errores. Finalmente se concluye que el uso de herramientas digitales PLM como metodología para el desarrollo del ciclo de vida entero de un producto permitió el crear, evaluar y optimizar el uso de recursos tales como herramental, maquinaria y personal De lo Económico Con base al cálculo del Valor Presente Neto de llevar a cabo un proyecto de inversión que contempla la adquisición de un sistema PLM integrado, podemos concluir que la adquisición de dicho sistema presenta retornos de inversión con una Tasa Interna de Retorno (TIR) superior a la 110

115 Tasa Mínima Atractiva de Retorno (TMAR) 131, lo que implica que, dentro de un horizonte temporal que abarca desde el corto y, en especial, el largo plazo, los costos de incurrir en un proyecto de inversión de características comoo las aquí descritas se ven claramente superados por los beneficios de dicha inversión. Lo anterior es consistente con la evidencia encontrada en la literatura en la cual la empresa líder mundial en consultoría PLM, CIMdata, revela un estudio en donde se dan a conocer los retornos de inversión en función de la magnitud de lo invertido. Los resultados de estos estudios pueden observarse en la Figura 6 1. Figura 6 1. Retorno de Inversión 132. De manera concreta y en base a lo anteriormente mencionado, podemos concluir que, invertir en tecnología PLM es Económicame ente Factible. 131 La Tasa Mínima Atractiva de Retorno (TMAR) es, por lo general, la tasa de interés bancaria. 132 Fuente: CIMdata. 111

116 Bibliografía mtm Ingenieros, S.L. (13 de Diciembre de 2009). mtm Ingenieros. Recuperado el 15 de Marzo de 2011, de Banxico. (2002). Banco de México. Recuperado el 15 de Septiembre de 2010, de mercado valores/index.html Blank, L., & Tarquin, A. (1999). Ingeniería Económica (Cuarta ed.). (E. Ariza H., Ed., & G. Arango Medina, Trad.) Bogotá, Colombia: McGrawl Hill. Borda Elejabarrieta, J. (2006). Enfoques innovadores de SISTEPLANT para la fabricación de palas de aerogeneradores. Bilbao: SISTEPLANT. Cambridge University Press. (1998). Handbook of Composites Materials (Segunda ed.). (S. T. Peters, Ed.) Tonbridge: CHAPMAN & HALL. Coze, Y., Kawski, N., Kulka, T., Sire, P., Sottocasa, P., & Bloem, J. (2009). Virtual Concept > Real Profit with Digital Manufacturing and Simulation. (S. MacFarlane, Ed.) Bariet, The Netherlands: Dassault Systèmes and SogetiDassault Systèmes and Sogeti. Dana Skramstad, J. (1999). Evaluation of Hand Lay Up and Resin Transfer Molding in Composite Wind Turbine Blade Manufacturing. Bozeman: MONTANA STATE UNIVERSITY BOZEMAN. Dassault Systemes. (2002). DS Dassault Systemes. Recuperado el 3 de abril de 2011, de modeling Dassault Systemes. (2002). DS Dassault Systemes. Recuperado el 10 de Mamyo de 2011, de Ergonomics Solutions/PDF/Design of safer workstations digital manikins are hard at work at INRS570GB JSN.pdf Dassault Systemes. (2002). DS Dassault Systemes. Recuperado el 28 de Febrero de 2011, de Ergonomics Solutions/PDF/Virtual Ergonomics whitepaper.pdf Dassault Systemes. (2002). DS Dassault Systemes. Recuperado el 2 de Marzo de 2011, de Ergonomics Solutions/PDF/DELMIA Virtual Ergonomics Human Catalogs.pdf Dassault Systemes. (2002). DS Dassault Systemes. Recuperado el 6 de Marzo de 2011, de Ergonomics Solutions/PDF/DELMIA Virtual Ergonomics brochure.pdf 112

117 Dassault Systemes. (2002). DS Dassault Systemes. Recuperado el 20 de Marzo de 2011, de Ergonomics Solutions/PDF/DELMIA Virtual Ergonomics VOA.pdf Dippenaar, D. (2010). A Technical and Economical Evaluation of RP Technology for RTM Tooling. Matieland, South Africa: University of Stellenbosch. Guerra Zubiaga, D., Rios Soltero, E., Ramón Raygoza, Tomovic, M., & Molina, A. (2007). PLM Tools Taxonomy to Support the Design Process. International Conference on Comprehensive Product Realization Beijin: Purdue University. Hedley, C. W. (1994). Mold Filling Parameters in Resin Transfer Molding of Composites. Bozeman, Montana, Estados Unidos: MONTANA STATE UNIVERSITY. INFORMS. (2011). Winter Simulation Conference. Recuperado el 1 de Septiembre de 2011, de sim.org/wsc08papers/243.pdf İpek, H. (2005). Modeling of Resin Transfer Molding for Composite Manufacturing. Çankaya Ankara, Turquía: MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY. Jara Mori, G. A. (2008). Estudio de la Aplicabilidad de Materiales Compuestos al Diseño de Estructuras de Contención de Tierras y su Interacción con el Terreno, para su Empleo en Obras de Infraestructura Viaria. MAdrid: UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID. Karaminezhaad Ranjbar, R. (2003). Modeling and Simulation of Flow Pattern and Curing During Manufacturing of Composite Wind Turbine Blades Using VaRTM Process. Kerman: Wichita State University. Kimura, F., & Kato, S. (2002). Life Cycle Management for Improving Product Service Quality. Tokio: The University of Tokyo. Kramkwski, T., Foussekis, D., Chaviaropoulos, T., & Rosten, G. (1997). Harmonisation and Improvement of Rotor Blade Quality Control. Estocolmo: The Aeronautical Research Institute of Sweden. LI, J. (2003). Developmen of Integrated Process Desing Enviromen (Tesis). Gainesville, Florida, USA: Department of Industrial & Manufacturing Engineering, College of Engineering, The Florida State University. Li, J. (2003). Development of Integrated Process Design Environment and Statistical Analysis of RTM Process. Tallahassee: THE FLORIDA STATE UNIVERSITY. Ling, H., Zhang, W. J., Li, J. X., & Xie, H. (2005). Data Modeling for an Integrated PLM and CSP Framework for Configuration Design. En W. J. Zhang, Computer Aided Design & Applications (págs ). Saskatchewan: University of Saskatchewan. 113

118 Lund, J. G. (2006). The Storage of Parametric Data in Product Lifecycle Management Systems. Provo: Brigham Young University. Mankiw, N. G. (2007). Macroeconomía (Sexta edición ed.). (M. Girona, Ed.) Barcelona, Cataluña, España: Antoni Bosch. Mayugo Majó, J. A. (2003). Estudio Constitutivo de Materiales Compuestos Laminados Sometidos a Cargas Cíclicas. Barcelona: Universitat Politècnica de Catalunya. NoticiasB2B, S.L. (8 de Marzo de 2007). noticias.info. Recuperado el 15 de Junio de 2011, de agencia internacional de noticias: Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. (s.f.). Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Recuperado el 5 de mayo de 2011, de Santiagoa, D., Lomberaa, G., & Urquizaa, S. (2006). Modelado Numérico Del Proceso Resin Transfer Moulding (RTM). Mar del Plata, Argentina: Universidad Nacional de Mar del Plata. Universidad Politécnica de Valencia. (2006). ergonautas.com. Recuperado el 1 de junio de 2011, de ayuda.php Woebbeking, M. (2010). The New Guideline for the Certification of Wind Turbines, Edition Hamburgo: Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH, Renewables Certification (GL). Yamashita, M., Takeda, F., Sakagawa, T., Kimata, F., & Komori, Y. (Diciembre de 2008). Development of Advanced Vacuum assisted Resin Transfer Molding Technology for Use in an MRJ Empennage Box Structure. Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Technical Review, 45(4),

119 Índice de Términos 3D, 8, 11, 14, 17, 24, 34 Autodesk, 10 CAD, 8, 9, 10, 15, 16, 17, 21, 36, 44, 45 CAE, 8 CAM, 8, 9, 10, 20, 21, 22, 23, 24, 36 CATIA, 11, 15, 16, 17, 45 Dassault Systemes, 2, 10, 11, 12 Diagrama de Gantt, 30 Diagrama PERT, 31 ENOVIA, 13 layout, 33 MES, 8 MTM, 27, 28, 29, 30 ON LINE, 9 PDM, 8, 13 PLM, 1, 2, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 19, 20, 35, 37, 39, 45 PTC, 10 Siemens, 10 SMARTEAM, 13, 14 Unique True, 13 Work Instructions,

120 Anexo I 116

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138 P Colocar R A C F S B E Volver a coger Aplicar presión Mov. de Manivela G Conseguir Mov. del pie Andar Doblarse y levantarse Acción ocular La utilización de esta tabla sin una formación adecuada en MTM conducirá a resultados erróneos Hay algún movimiento de coger cerrando dedos? SI Es suficiente un sólo movimiento de cerrar la mano o los dedos? NO GC El fin del movimiento es desplazar el cuerpo? NO SI SI NO GA GB Es un movimiento libre, sin vacilación? NO Se dan movimientos claros de corrección? NO PB S El movimiento de pierna es >30cm? SI SI SI NO PA PC F 2008 MTM Ingenieros - MR002 MTM-2 Fácil Dificil Con práctica Con práctica dentro del área de visión normal PC GA GB GC cm PA PB PC GW: 1UMT por cada kg PW: 1UMT por cada 5kg R A C F S B E Valores de tiempo en UMT PB PA GC 1UMT=1: h GA GB GC PA PB PC GB GA 2008 MTM Ingenieros - MR Cortar por la línea de puntos 2 - Plegar por la línea discontinua y pegar ambas caras 3 - Opcional: Plegar por el medio para un formato más compacto 2008 mtm ingenieros

139 Valores de tiempo en UMT Movimientos simultáneos Mano izquierda Con control y/o peso Sin control ni peso FÁCIL Objeto aislado G1A / G1B 7 G5 APROXIMADO Tolerancia (T) > 6 mm 1 UMT= 1: horas Longitud del movimiento en cm 20 cm > 20 a 50 cm > 50 a 80 cm Mano derecha Con control Sin control y/o peso ni peso No Simultáneo simultáneo Simultáneo Simultáneo TOMAR DIFICIL PUÑADO Objeto mezclado Objetos mezclados o apilados G1C- / G4- SITUAR (Con encaje) HOLGADO JUSTO Juego 12 mm Juego 12 mm Juego > 12 mm sin presión ni con presión o retardo retardo APROXIMADO SITUAR (Sin encaje) HOLGADO JUSTO 1,5 mm < T 6 mm T 1,5 mm OBJETO VOLUMINOSO 1 dimensión > 80 cm / 2 dimensiones > 30 x 30 cm 2009 MTM Ingenieros - MR Código KA KB KC Código VA TMU TMU Plegar por la línea discontinua y pegar ambas caras 1 - Cortar por la línea de puntos TOMAR Y SITUAR Código 1 Aproximado AA 20 Fácil Holgado AB 30 Justo AC 40 1 kg Aproximado AD 20 Dificil Holgado AE 30 Justo AF 40 Puñado Aproximado AG 40 Aproximado AH 25 > 1 kg 8 kg Holgado AJ 40 Justo AK 50 Aproximado AL 80 > 8 kg 22 kg Holgado AM 95 Justo AN 120 SITUAR Código 1 Aproximado PA 10 Holgado PB 20 Justo PC 30 MANEJAR MEDIOS AUXILIARES Código 1 Aproximado HA 25 Holgado HB 40 Justo HC 50 ACCIONAR Código 1 Simples BA 10 Compuestos BB 30 CICLOS DE MOVIMIENTOS Código 1 Un movimiento ZA 5 Secuencia de movimientos ZB 10 Recolocar y un movimiento ZC 30 Apretar o aflojar ZD MOVIMIENTOS DEL CUERPO Andar (por metro) Inclinarse, agacharse, arrodillarse y enderezarse Sentarse y levantarse MOVIMIENTOS VISUALES Control Visual MTM-UAS MTM Ingenieros - MR003

140 1 - Cortar por la línea de puntos 2 - Plegar por la línea discontinua y pegar ambas caras Valores de tiempo en UMT 1 UMT= 1: horas Longitud del movimiento en cm > 80 a 200 cm > 80 a 200 cm 20 cm > 20 a 80 cm Sin inclinación Con inclinación Situar Aproximado Juego: >12 mm / Tolerancia: >±6 Contra tope o topes Exacto Juego: 12 mm / Tolerancia: ±6 Conseguir y Situar Manejo de Medios Auxiliares Situar Accionar Ciclos de Movimientos Movimientos del cuerpo Verificación Visual Objeto Voluminoso 1 dimensión > 80 cm / 2 dimensiones > 30 X 30 cm 2010 MTM Ingenieros - MR004 MTM-MEK CONSEGUIR Y SITUAR TMU TMU TMU TMU Inclinarse, agacharse, arrodillarse y enderezarse KB 60 Código V 30/80 cm Aproximado AA P 8 kg Exacto AB V > 30/80 cm Aproximado AC P > 8-22 kg Exacto AD MANEJAR MEDIOS AUX. Código Aproximado HA Exacto HB SITUAR Código Aproximado PA Exacto PB ACCIONAR Código Simple BA Combinado BB CICLOS DE MOVIMIENTO CODIGO TMU 10 ZA 10 Sin montaje > ZB 20 (longitud de movimiento en cm) > ZC ZD 40 Con montaje > ZE 60 (longitud de palanca en cm) > ZF 120 Apretar o Aflojar ZZ 30 MOVIMIENTOS DEL CUERPO CODIGO TMU Andar (por metro) KA 25 Sentarse y levantarse KC 110 MOVIMIENTOS VISUALES CODIGO TMU Control visual VA MTM Ingenieros - MR004

141 Anexo II 136

142 Color de distinción COMPOSICIÓN QUÍMICA - % PROMEDIO NORMAS Acero SISA P20 acero para moldes de plástico SERVICIO INDUSTRIAL, S.A. DE C.V. Desde 1941 CARACTERÍSTICAS El acero SISA P20 pre-templado es de uso general para la fabricación de moldes. Utilizado para el maquinado y electro-erosionado de moldes de plástico y componentes para la fundición de zinc. Se surte pre-templado a una dureza estándar de aprox. BHN (HRC 30-34). Además, manejamos la versión con dureza alta, pre-templado a aprox. BHN (HRC 34-38). Normalmente no requiere un tratamiento térmico adicional, sin embargo el acero SISA P20 se puede templar a durezas mayores para incrementar su resistencia. Enfriamiento al aceite es requerido, por lo tanto, cuidado especial es necesario para reducir la distorsión o fractura. Provee excelente pulibilidad y buen texturizado. APLICACIONES TÍPICAS Moldeo por Compresión Porta Moldes y Piezas de Apoyo Piezas para la Construcción de Maquinaria y Útiles en General Moldes para Inyección de Plástico Herramientas para Fundición a Presión de Zinc Moldeo en Dos Fases C Si Mn Cr Mo AISI DIN JIS P MAQUINABILIDAD Y RECTIFICABILIDAD La maquinabilidad y rectificabilidad en estado recocido es aproximadamente un 80% de un acero tipo W1(1% C). SISA P20 PROPIEDADES FÍSICAS Módulo de Elasticidad 6 30 psi x 10 (207 GPa) Densidad 7860 kg/m³ (0.284 lb/in³) Conductividad Térmica cal/cm-s- C BTU/hr-ft- F W/m- K a 95 C (200 F) Coeficiente de Dilatación Térmica mm/mm/ C in/in/ F C / F x x C / F x x C / F x x10 TRATAMIENTOS SUPERFICIALES Cementado: El acero SISA P20 también es apto para el cementado, resultando en dureza de cementado de HRC, como se muestra en la siguiente tabla: Dureza Obtenible: Cementado con Gas a 870 C (1600 F) y enfriado en horno a 800 C (1475 F), posterior enfriamiento al aceite y revenido 4+4 hrs. Dureza de Cementado HRC Dureza al Núcleo 315 C (600 F) C (650 F) C (700 F) C (750 F) C (800 F) C (900 F) Durezas mostradas son típicas para una barra con diámetro de 4" (102 mm). Secciones mayores pueden mostrar durezas levemente más bajas. La dureza al núcleo también puede ser incrementada en el tratamiento térmico asociado con el cementado, resultando en una pérdida de tenacidad al núcleo. Nitrurado: El acero SISA P20 es apto para el nitrurado por medio de la mayoría de procedimientos comerciales, resultando en una dureza superficial de HRC. La penetración de dureza típica después de nitrurado a 525 C (975 F) se muestra a continuación: Dureza HRC Penetración de la Dureza en Milímetros Nota: Las propiedades indicadas en esta hoja técnica son valores típicos. Variaciones normales en la química, tamaño y condiciones de tratamiento térmico pueden producir desviaciones de estos valores. Para datos adicionales o asistencia en ingeniería metalúrgica, favor de acudir al departamento técnico de SISA. SISA P20 BHN 300

143 SISA P20 TRATAMIENTO TÉRMICO Recocer Calentamiento a C ( F), mantener 2 horas, enfriamiento lento no mayor de 30 C (50 F) por hora hasta alcanzar C ( F), mantener hasta normalizar, posterior enfriamiento al aire. Dureza en Estado Recocido BHN 187/223 Relevado de Tensiones Dureza estándar (BHN ): Calentar a 480 C (900 F), mantener 2 horas después de calentamiento al núcleo. Dureza alta (BHN ) Calentar a 455 C (850 F), mantener 2 horas después de calentamiento al núcleo. Recomendable para reducir las tensiones causadas por un extenso maquinado en caso de herramientas de configuración complicada. TEMPLE El acero SISA P20 se surte pre-templado a uno de dos niveles de dureza y un tratamiento térmico posterior generalmente no se requiere. Sin embargo, se puede templar a durezas más altas. Nota El acero SISA P20, debe ser recocido antes de un temple posterior. Precalentar C ( F), normalizar. Temple (Austenización) C ( F) - Mantener 30 a 45 minutos a temperatura. Enfriamiento Al aceite a C ( F). Revenir inmediatamente. Revenir Doble revenido a C ( F), mantener 1 hr. por pulgada de espesor (25 mm), 2 hrs. mínimo por revenido. RESPUESTA AL TRATAMIENTO TÉRMICO Temple a 845 C (1550 F) Enfriamiento al Aceite Dureza Temperatura Obtenible de Revenido HRC 205 C - (400 F) 315 C - (600 F) 425 C - (800 F) 540 C - (1000 F) 650 C - (1200 F) DIAGRAMA DE REVENIDO La dureza obtenible es típica de un bloque de 4" (100 mm) de espesor. Espesores mayores pueden mostrar una leve baja en dureza. SOLDAR Los procedimientos de soldadura usados en 4140 o 4340 deben ser utilizados. Material de soldadura tipo P20, 4130 o 4140 es aceptable. Material pre-templado Precalentar C ( F). Mantener arriba de 425 C (800 F) al soldar. Después de soldar, enfriar a tibio 65 C (150 F). Doble revenido a 480 C (900 C). Material templado a mayor dureza Precalentar y doble revenido después de soldar a 30 C (50 F) por debajo de la última temperatura de revenido. Servicio Industrial, S.A. de C.V. Aceros Especiales Grados Herramienta y Maquinaria Aceros SISA-MET de Metalurgia en Polvo (PM) Piezas Industriales Forjadas DF: Bulevar Toluca 12 - Col. San Francisco Cuautlalpan, Naucalpan - cp 53569, Estado de México Tel - (55) Fax - (55) MTY: Guerrero Norte Col. del Norte, Monterrey - cp 64500, Nuevo León Tel - (81) Fax - (81) Cat. P20 10/09 Derechos Reservados, Mexico DF, 2009 Servicio Industrial, S.A. de C.V. SISA y SISA-MET son Marcas Registradas Impreso en México

144 VacuminderTM The Vacuminder TM unit has been developed specifically for use with composite Light RTM moulding techniques also described as VART or VM. The Vacuminder TM forms the main accessory item within M.V.P. S full range of LRTM accessories. Over recent years the vacuum technique has re-emerged as a complimentary process to standard RTM. As vacuum is an essential part of the system many have immediately focussed attention on procuring standard electric motor driven vacuum pumps. The newly developed Vacuminder TM vacuum pump air driven units represent low cost, highly efficient alternatives to traditional mechanical vacuum pumps. Mould Connections Vacuum 1 Vacuum 2 Dynamic seal s s s s s Vacuminder TM Standard Model Part Ref: 3229 Specification g Dimensions x 300 x 190 g Weight kg net g Input bar 6mm air line g Outputs - 2 vacuum outputs each independent adjustable -0.1 to -0.9 bar Dynamic seal pressure adjustable between 0-7 bar with switch control to vac 2 level setting g Vacuum power switches - Vacustats 30mb hysteresis g Air consumption - Max 70 l/m when both generators running g Filters - 2 off sealed 15 micron Dynamic seal pressure regulator and vacuum- pressure switch control PV Sensor using extension for film infusion applications Vacuminder TM Basic Model Part Ref: 3228 Specification g Dimensions x 300 x 190 g Weight kg net g Input bar 6mm air line g Outputs - 2 vacuum outputs each independent adjustable -0.1 to -0.9 bar g Air consumption - Max 70 l/m when both generators running g Filters - 2 off sealed 15 micron

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