Cuartos limpios en la industria automotriz

El crecimiento sostenido que ha presentado el sector automotriz en México desde hace ya varios años ha incrementado la participación de la ingeniería HVACR. Ante las perspectivas de un mayor crecimiento, la oferta de cuartos limpios, imprescindibles para asegurar la calidad de los productos manufacturados en dicho sector, también habrá de crecer.

Los rasgos geográficos y económicos de El Bajío han permitido el establecimiento de diversas plantas de manufactura y de una industria automotriz sólida.

Eréndira Reyes

A0MH0076550La industria automotriz es uno de los sectores productivos más importantes a nivel mundial. Durante 2013, la producción de autos en México ascendió a 3.2 millones de unidades y generó ventas internas de 1 millón 63 mil unidades, cifras que colocaron a México como el octavo país productor de vehículos en el mundo.

Dependiendo del tipo de producto, de la cantidad de unidades por fabricar y del proceso de producción adoptado por la armadora es como diferirá el tiempo en el que un automóvil quedará manufacturado. Si las unidades por producir son reducidas, resulta más rentable la producción manual en un taller, debido a que la inversión para una línea de ensamble resulta más costosa.

Normalmente, los vehículos siguen una línea de producción que cuenta con numerosas estaciones, en la que personal especializado trabaja en un área específica para posteriormente enviar las unidades de ensamble a la siguiente etapa.

Construir un automóvil requiere de un proceso muy amplio, pues se contemplan el tipo y la cantidad de coches que se van a producir; con base en estos puntos, se planifica qué línea productiva requerirá, los tiempos necesarios para cada etapa, los materiales requeridos y las pruebas de calidad que se le aplicarán al producto final.

La manufactura de un vehículo se desplaza entre las diferentes áreas y estaciones a través de sistemas de cintas transportadoras; sin embargo, es importante resaltar que la producción de vehículos puede estar repartida en una sola planta o en varias.

La importancia de este sector en el desarrollo del país es creciente, debido a que genera 3.6 por ciento del Producto Interno Bruto. Aunado a esto, gracias a las condiciones geográficas del territorio mexicano, la entrada de inversión de empresas ensambladoras se incrementará, según informes de la Asociación Mexicana de la Industria Automotriz (AMIA).

Asimismo, la propia institución resalta que el Tratado de Libre Comercio que se tiene con los países de América del Norte, los bajos costos de operación en el país y la mano de obra relativamente barata han impulsado en el país un nivel de competencia mayor en comparación con otras regiones productoras del continente.

En los últimos años, el crecimiento de plantas ensambladoras en el país ha ido en aumento, sobre todo en la región de El Bajío, donde la economía se ha orientado hacia este sector, con lo que se han tenido inversiones importantes en Guanajuato, Aguascalientes, Querétaro y San Luis Potosí, con el establecimiento de diversas plantas de manufactura.

Dichas entidades han tenido mayor inversión gracias a la privilegiada zona geográfica en la que se encuentran ubicadas, pues están cerca de ciudades y centros de comercio importantes, y debido a que tienen amplia disponibilidad de parques industriales que han fomentado la construcción de ensambladoras de todo tipo.

Marcas como Nissan, Fiat, Chrysler, Toyota, Ford, General Motors, Honda, Volskwagen, Mazda y Audi ya cuentan con plantas ensambladoras en distintas regiones del país; incluso, en Aguascalientes está por construirse una segunda planta de Nissan, con lo que la empresa nipona busca incrementar sus niveles de productividad en el país. Otras empresas, como Mercedes Benz, BMW, Infiniti y Mitsubishi planean ubicar plantas de producción masiva en México, aunque aún no han confirmado las entidades donde se establecerán.

A0MH0076549La región donde se encuentre instalada la planta de manufactura automotriz requerirá una climatización acorde para garantizar la calidad de sus procesos productivos

Sistemas de aire acondicionado y refrigeración en el sector automotriz
Para tener mayor certeza acerca de los sistemas que requiere esta creciente industria en el país, se consultó a diversos especialistas que han tenido proyectos en plantas de manufactura automotriz, ya que, al crecer de manera tan significativa, se espera que en los próximos años se incremente considerablemente el número de compañías armadoras que instalen sus plantas manufactureras y comercializadoras, lo que significa que el sector HVACR puede precibir diversas oportunidades de negocio bastante atractivas; sin embargo, ¿es necesario contar con una climatización controlada para este tipo de industria?

Según especialistas de Grupo Rasch, las aplicaciones principales que requiere tal industria son variadas. Éstas van desde ventilación industrial y refrigeración criogénica, hasta el diseño y desarrollo de cuartos limpios, donde el control de partículas debe ser monitoreado.

El ingeniero Marco Antonio Cortés, especialista HVACR de Grupo Rasch; el arquitecto José Antonio Tinoco, de la división de Arquitectura, y el ingeniero Alejandro Gutiérrez, coordinador de la división Automotriz de Grupo Rasch, fueron los encargados en proporcionar información del tema.

“La industria automotriz, con la complejidad en sus procesos y operaciones, utiliza una gran variedad de compuestos químicos y substancias que muchas veces pueden ser tóxicas para la salud de sus empleados; por esta razón es que también han optado por implementar robots automatizados. Ahora bien, el uso de este tipo de materiales tiene como resultado la generación de gases, vapores, humos y polvos en niveles de concentración que pueden exceder los estándares de seguridad impuestos por organismos nacionales e internacionales. En este sentido, una ventilación efectiva tendrá que proteger a los empleados de la planta y evitar ambientes tóxicos y nocivos para la salud”, resaltan los especialistas en aire acondicionado, cuartos limpios y aplicación automotriz de Grupo Rasch.

Con regularidad, la industria automotriz presenta una gran variedad de áreas de trabajo, en las que se realizan tareas distintas y muy específicas. Entre ellas, se encuentran espacios donde se trabaja con pintura, equipo de maquinado, fundición de motores, ensamble de carrocerías, ensamble de motores, entre muchos otros, por lo que los sistemas HVACR son indispensables y se requiere de un control especial en el tratamiento del aire.

Aunado a esta necesidad productiva, la región donde se encuentre instalada la planta automotriz requerirá una efectiva climatización para garantizar la calidad de sus procesos, lo cual representará un desafío para los diseñadores e instaladores de dichos sistemas. En lo que respecta al tema de la ventilación, los más comunes en la industria son de dos tipos:

  • Sistemas de inyección de aire
  • Sistemas de extracción de aire. Se encargarán, principalmente, de extraer los contaminantes generados por alguna operación. Normalmente se subdividen en un sistema de extracción general y sistemas locales de extracción

A0MH0076548El daño que pueden provocar las partículas difiere en cada proceso. A pesar de ello, 97 por ciento de las partículas existentes en el aire puede dañar los productos o procesos del sector

Es importante resaltar que las plantas industriales deben contar con un control de temperatura en general, reglamentado por la Secretaría del Trabajo y Previsión Social en la Norma Oficial Mexicana NOM-015-STPS-200, la cual detalla las condiciones térmicas elevadas o abatidas para la correcta seguridad e higiene de los empleados de la planta.

A0MH0076547Además de los sistemas de ventilación, existen instalaciones diseñadas especialmente para las diversas etapas de trabajo que requiere la construcción de un automóvil, y el control de partículas se realiza normalmente en cuartos limpios.

Hoy en día, la mayoría de las plantas de manufactura de semiconductores, de productos farmacéuticos y de productos médicos requieren de cuartos limpios que controlen la cantidad de partículas y de microorganismos para poder fabricar, ensamblar y empacar sus productos.

Un cuarto limpio se puede definir como un espacio en el cual el nivel de partículas es controlado y que posee una o un conjunto de áreas limpias. Otra definición es la de un cuarto en el cual la concentración de partículas es controlada. Además, el cuarto es construido y utilizado de forma tal que la introducción, generación y retención de partículas es mínima, pues en el espacio se controlan otros parámetros relevantes, como la temperatura, la humedad y la presión.

Las áreas de un cuarto limpio se pueden dividir en cuatro tipos:

Convencional. A este tipo de cuartos limpios también se les conoce como turbulentamente ventilados, y se caracterizan por la forma en que entra el aire de suministro por medio de difusores o filtros instalados en el cielo suspendido

Flujo unidireccional. También conocido como flujo laminar, se refiere al espacio donde el aire limpio de suministro pasa por un banco de filtros de alta eficiencia de una forma unidireccional a través del cuarto. Para lograr un flujo unidireccional, el sistema se puede diseñar de las siguientes maneras:

  • Un solo paso de aire. El aire filtrado entra al cuarto limpio, sale a través de louvers o rejillas y no se recircula. Este sistema es ideal para reponer el ciento por ciento del aire
  • Recirculación de aire. El aire filtrado entra al cuarto, sale a través de paredes tipo ducto (cuando son de Gypsum, la parte interna de la pared deben ser tipo foil-back) y se recircula a través de un plenum sellado con la ayuda de abanicos y filtros tipo HEPA. Éste es considerado como el diseño típico
  • Ducto-plenum. En este diseño, el aire filtrado entra en el cuarto, sale a través de paredes tipo ducto y se recircula directamente hacia los filtros HEPA por medio de ductos

Flujo Mixto. Este tipo de cuarto limpio es ventilado de una forma convencional con excepción de áreas donde el producto sea expuesto a contaminación; en este caso, se utilizan cabinas con flujo unidireccional

Micro-ambientes. Se utilizan dentro de un cuarto limpio para garantizar la máxima protección contra la contaminación.

Los cuartos limpios se clasifican de acuerdo con la pureza del aire. Existen cuartos limpios de 100 mil, 10 mil, 1 mil, 100, 10 y hasta una partícula por pie cúbico; se clasifican como clase 100 K (ISO 8), 10 K (ISO 7), 1 K (ISO 6), 100 (ISO 5), 10 (ISO 4) y 1 (IS0 3), respectivamente.

En cualquier instalación de cuartos limpios es necesario seguir las normativas internacionales que se han establecido para su construcción. Éstas deben garantizar la fácil limpieza, el uso de materiales durables −de preferencia con sistemas termoaislantes para el ahorro de energía−, la utilización de puertas con sellos para el comportamiento del aire y la garantía en el control de partículas en el interior.

De acuerdo con este estándar, el número de partículas determinará la clase de cuarto limpio que se tenga. En el caso de la industria automotriz, las clasificaciones más comunes rondan entre un nivel 7 u 8, en las cuales se permiten hasta 10 mil partículas por millón; sin embargo, estos niveles pueden presentar variaciones dependiendo del tipo de proceso que se lleve a cabo.

Donde es necesario tener mayor cuidado es en la selección de los trenes de filtrado, así como en su correcta instalación, para que la arquitectura y el diseño del sistema instalado estén completos y garanticen el control óptimo de partículas.

CLASE DE CUARTO PARÁMETROS EN PLANTAS DE MANUFACTURA
En reposo En operación
Número máximo permitido de partículas por m3, igual o sobre Número máximo de unidades formadas de colonia por m3
0.5 5 0.5 5 UFC/m3
Clase 100 Grado A 3,500 Ninguna 3,500 Ninguna Menor a 1
Clase 10 mil Grado B 3,500 Ninguna 350,000 2,000 10
Clase 100 mil Grado C 350,000 2,000 3,500,000 20,000 100

Aplicaciones específicas
La nanotecnología es una de las ramas industriales que ha innovado los procesos productivos en general. Su estudio y prácticas se refieren a la manipulación de la materia a escalas atómica, molecular y supramolecular, lo que, en otras palabras, significa el manejo preciso de átomos y moléculas para la fabricación de productos a macroescala. Dicha tecnología también es empleada dentro de las actividades de la industria automotriz, pues muchos de sus complementos son fabricados bajo esta nueva tendencia tecnológica.

Los complementos que requieren cuartos limpios en la industria automotriz son la instalación de equipos electrónicos, pintura, neumáticos, ensamble de carrocería, fundición y control de calidad.

El daño que pueden provocar las partículas micrónicas y submicrónicas difiere en cada proceso. A pesar de ello, 97 por ciento de las partículas existentes en el aire puede dañar los productos o procesos del sector; por lo tanto, la instalación de este tipo de cuartos es indispensable, pues un sistema de aire acondicionado común elimina únicamente 3 por ciento del total de partículas presentes en el aire.

Las instalaciones de alta tecnología para la fabricación de semiconductores y circuitos necesitan un adecuado control de las partículas existentes en el aire, así como de la humedad, de la temperatura, del ruido, de la vibración, de la velocidad y del movimiento del aire. En el sector automotriz, debido a las exigencias de calidad que se deben vigilar en los productos finales, existen diversos procesos en los que se tendrán que instalar este tipo de cuartos:

• Fabricación de neumáticos
• Ensamble de electrónicos
• Ensamble de carrocería
• Ensamble de motor

CLASE TIPO DE FLUJO VELOCIDAD FLUJO-FPM CAMBIO DE AIRE POR HORA
1 Unidireccional 70-100 350-650
10 Unidireccional 60-110 300-600
100 Unidireccional 50-90 300-480
1000 Mixto 40-90 150-250
10000 Mixto 25-40 60-120
100000 Mixto 10-30 10-40

Este tipo de cuartos también deben diseñarse para procesos en los que no existe margen de falla. Igualmente, se debe tener un control en las partículas que pueden ser tóxicas para el personal que labora en la planta. En esta industria se evaporan y generan polvos, humos y subproductos que pueden afectar la salud, por lo que el monitoreo en la calidad de aire debe estar programado y bien delimitado.

A0MH0076546Cabe resaltar que los cuartos limpios son especiales e inicialmente tratados en el Standard Federal 209 de Estados Unidos de América, la Australian Standard AS 1386, la British Standard BS5295 y la ISO 14644-1. A nivel nacional, la norma que describe y clasifica los niveles de limpieza equivalente es la NOM-059-SSA-2006.

Para el diseño y el desarrollo de este tipo de instalaciones, se deben de considerar diversos factores; el primordial, la determinación del proceso que se llevará a cabo en su interior. De esto dependerá la dimensión y pureza que tendrá.

CLASE NÚMERO DE PARTÍCULAS POR METRO CÚBICO POR TAMAÑO MICROMÉTRICO
0.1 0.2 0.3 0.5 1 5
ISO 1 10 2
ISO 2 100 24 10 4
ISO 3 1,000 337 102 35 8
ISO 4 10,000 2,370 1,020 352 83
ISO 5 100,000 23,700 10,200 3,520 832 29
ISO 6 1,000,000 237,000 102,000 35,200 8,320 293
ISO 7 352,000 83,200 2,930
ISO 8 3,520,000 832,000 29,300
ISO 9 35,200,000 8,320,000 293,000

Por otro lado, también se debe considerar el suministro de aire al diseñar el sistema de aire acondicionado que tendrá el cuarto limpio, ya que será necesario evitar el asentamiento de partículas, mediante la dilución de la contaminación.

Los cambios de aire por hora deberán ser 10, como mínimo; para la industria automotriz, existen requerimientos necesarios:

Clase: 1,000,000 a 100,000
Flujo: Mixto
Cambios de aire: 60 a 120

La elección de filtros es otro elemento por considerar. Éstos deben ser de alta eficiencia y evitar la introducción de partículas hacia el interior del cuarto.

De igual forma, el aire de reposición tiene que ser suficiente, a fin de mantener el cuarto presurizado conforme a los requerimientos. Esto se logra con la ayuda de manejadoras de aire que inyectan aire tratado. La norma ISO 14644-4 recomienda un diferencial de presión de 0.02 a 0.08 pulgadas de agua entre espacios adyacentes, donde los cuartos limpios mantienen las presiones más altas.

Por dos motivos es imprescindible no sobrepresurizar los espacios y permitir la apertura de puertas: los requerimientos de presurización hacen que el sistema demande más aire de reposición, lo que eleva el gasto y genera excedentes de energía en los sistemas que alimentan de aire; asimismo, se incrementa el gasto energético que se genera en las manejadoras de aire.

Para ahorrar energía, también es recomendable evitar fugas de aire a través de bordes o aberturas, y se puede minimizar al calcular la cantidad de fugas existentes. Esta cantidad se puede definir con la siguiente fórmula:

Fugas en pies / minuto = (Presión del aposento en WG) 0.5 x 4005

Otro factor por considerar es el control de la temperatura y la humedad. Los procesos que se manejan dentro de los cuartos limpios son críticos, por lo que el control de la humedad es de suma importancia, muchas veces más importante que la temperatura.

A0MH0076545El control de partículas durante el proceso de pintura se debe monitorear constantemente para asegurar la calidad de aire durante toda la labor, pues su pureza juega un papel preponderante en el resultado final del producto

El diseño del aire acondicionado en cuartos limpios para cargas latentes se debe realizar con información operacional de bulbo húmedo y no con la información de bulbo seco / bulbo húmedo, como suele hacerse en el diseño de los sistemas convencionales de aire acondicionado. Las temperaturas que se manejan en los cuartos limpios oscilan los 22 grados centígrados, con una humedad relativa de 50 por ciento y aire fresco de entre 20 y 100 por ciento.

El manejo de la Psicometría (ciencia que estudia las mezclas de vapor de aire y vapor de agua), permitirá representar en tablas o en forma de gráficas las propiedades del aire atmosférico del espacio por climatizar. A la forma gráfica se le llama carta psicométrica y las gráficas se pueden consultar en los manuales de la American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers.

Las innovaciones industriales, en general, están presentando un crecimiento exponencial junto con la nanotecnología. Estas innovaciones exigen que un grado significativo de pureza del aire también sea requerido en algunos complementos de la maquinaría, como son amortiguadores, pistones, válvulas, entre otros. Estos componentes deben contar en su fabricación con un control de partículas bien monitoreado, debido a que cuentan con componentes electrónicos, los cuales, como se menciona, exigen cuartos limpios en sus plantas industriales de control de partículas ISO 7 a ISO 9. (Las gráficas 1, 2 y 3 pueden ayudar a tener un mejor conocimiento de los parámetros que requerirá la industria y las diferencias en comparación con otras instalaciones).

En cuanto al área de pintado, es otro de los espacios donde se requiere la instalación de cuartos de este tipo, aunque serán, normalmente, de clase 7 o 9. Los estándares por seguir los determina el proveedor de pinturas y se enfocan en la extracción de partículas.

Aquí, el control de partículas se debe monitorear constantemente para asegurar la calidad de aire durante todo el proceso, pues juega un papel primordial en la calidad de la pintura, ya que de de esto dependerá el adecuado control del ambiente dentro del área donde se procesan las carrocerías. En estas áreas no pueden existir bombas de aire ni ningún tipo de partícula anómala, como polvo o cenizas; éstas provocarían que el acabado de los automóviles no pasara los estándares de calidad y control anticorrosión.

A0MH0076544Existen dos pruebas en el conteo de partículas: la estática, que se aplica a cuartos vacíos, y la segunda que incluye pruebas dinámicas, en las que el personal y las máquinas están en operación

En estas áreas se deberá evitar la contaminación generada por procesos colindantes, así que el diseño arquitectónico es de suma importancia. “Y no sólo en esta etapa; por ejemplo, si el área de ensamble colindara con un área de fundición, se evitaría la entrada de partículas abrasivas; o si se encontrara en una zona costera, se evitaría la entrada de aire con salinidad importante. Es por eso que el diseño de este tipo de plantas debe ser multidisciplinario”, resaltan los especialistas de Grupo Rasch.

Para comprobar el conteo de partículas, en el mercado existen diversos aparatos que sirven para este fin. Paralelamente, se pueden implementar uno o varios programas que vigilen periódicamente la calidad del aire, no sólo de los cuartos limpios, sino de toda la planta industrial. Finalmente, el control sanitario y de emisión de gases debe ser general.

Es importante resaltar que los procesos de pintura no son algo privado y confidencial, ya que las compañías de pintura son las que establecen las condiciones de operación y manejo de sus productos. En este sentido, un importante número de grandes compañías que se dedican al suministro de dicha área operativa trabaja con varias empresas automotrices.

En lo que se refiere a control de partículas en cuartos limpios donde se arman piezas y se cuida la entrada de contaminantes (como son el área de ensamblaje de motores, componentes electrónicos e incluso de sistemas de climatización), los parámetros no suelen diferir de una armadora a otra. Lo cierto es que los componentes complementarios de los automóviles sí pueden presentar una destacada cantidad de variantes; pero esto dependerá del proveedor de servicios.

“Entonces, neumáticos, aparatos electrónicos, chips, equipos de alta tecnología, bolsas de aire, manufactura de textiles, etcétera, pueden tener distintos procesos y controles de calidad; pero en este sentido, la gran mayoría de plantas manufactureras de autos en el país importa o pide sus complementos con otras industrias”, declaran el arquitecto Tinoco, el ingeniero Cortés y el ingeniero Gutiérrez, de Grupo Rasch.

Básicamente, existen dos pruebas en el conteo de partículas: una es la prueba estática que se aplica a cuartos vacíos, sin personal y con los equipos de producción apagados; la otra prueba se puede subdividir en varias pruebas dinámicas, en las que el personal y las máquinas de la planta industrial ya están trabajando. Las cantidades permisibles en ambos casos son diferentes, pero se aplican en la normativa paradigmática de ventilación industrial y de control en ambientes críticos.

Un ejemplo es la norma oficial mexicana NOM-123-SEMARNAT-1998, sobre emisiones de solventes al medioambiente; la NOM-015-STPS-2001, así como los estándares establecidos por ISO.

Últimamente, también se está integrando la instalación y operación de plantas industriales a paradigmas de certificación internacional, como LEED, por lo que los parámetros que manejan tales certificaciones pueden aplicarse.

Si no se aplican correctamente los procesos, no pueden pasar el control de calidad establecido por cada una de las compañías armadoras, por consiguiente, con los estándares establecidos para la manufactura de automóviles.

“Al final del proceso de producción, los automóviles se someten a pruebas de calidad, y si algo sale mal, se debe volver a revisar y realizar el proceso. Esto, además de generar pérdidas económicas, genera pérdida de tiempo”, apunta el ingeniero Gutiérrez, de la división automotriz en Grupo Rasch.

Cabe resaltar que el control de calidad aplicado a los automóviles debe ser muy estricto, al tratarse de equipos que si presentan alguna falla, pueden causar accidentes mortales.

A0MH0076543México cuenta con especialistas muy valiosos en el desarrollo de cuartos limpios y que son capaces de cumplir con las distintas normativas internacionales

Panorama del sector nacional
En México, prácticamente ya están instaladas todas las firmas armadoras del mundo. Cada una trae sus criterios de diseño aplicables a los sistemas que conforman sus plantas industriales, con el propósito de que se cumplan sus estándares particulares de calidad, y como se mencionó antes, algunas compañías mantienen tal información como confidencial.

Lo que es cierto es que el crecimiento de la industria automotriz beneficiará tanto al sector HVACR, como a los sectores de los que se provee, pues la industria textil, del plástico, del acero, la química, entre otras, podrán presentar un aumento significativo en los próximos años. El auge, simultáneamente, debe tener estándares de calidad y competencia más exigente, razón por la que la industria tiene que estar preparada. En este caso, la calidad en la oferta de servicios y productos será indispensable para lograr competir.

En general, contar con conocimientos para la instalación de ventilación industrial, control de calidad en aires interiores y cuartos limpios podrá garantizar la entrada a este tipo de cursos y proyectos. Cabe resaltar que no sólo es el diseño e instalación, ya que también se debe de contar con personal técnico calificado y profesionales capacitados que ofrezcan una buena operación y mantenimiento al sistema.

Los especialistas de Grupo Rasch, quienes han estado involucrados en proyectos de tal índole, señalan que “las compañías automotrices cuentan con cursos y programas de actualización implementados desde su país de origen. Éstos sirven para que se optimicen sus procesos y se mantengan acorde a las políticas internas de cada compañía”.

Además, indican que “México cuenta con especialistas en la materia, muy valiosos y que son capaces de cumplir con las distintas normativas internacionales que se establecen día con día. Lo importante es mantenerse actualizado y capacitar tanto a ingenieros como técnicos, pues este tipo de industria abarca muchas áreas de competencia”, finalizan los especialistas.

Lo cierto es que cada vez más los procesos exigen que los arquitectos, ingenieros y diseñadores trabajen en conjunto para poder tener instalaciones eficientes que cumplan con los estándares establecidos a nivel mundial.

Las compañías automotrices que están llegando al país, en su mayoría, tienen sus centros de investigación en otras regiones del mundo, por lo que las tendencias e innovaciones que implementan en sus procesos se deberán mantener a la vanguardia, y México no debe ser la excepción. Los especialistas que proveen a este sector, necesitan mantenerse al día respecto de las nuevas tecnologías.
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