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Instituto Politécnico Nacional ESIME Azcapotzalco Laboratorio de forja y tratamientos térmicos Visita al laboratorio José Emmanuel Bonilla Rodríguez

Grupo: 4RM1 López Marín Humberto

OBJETIVO El alumno conocerá las instalaciones del Laboratorio de Forja y Tratamientos Térmicos así como los diferentes tipos de máquinas y herramientas que serán utilizadas para diversas aplicaciones.

ANTECEDENTES Se tienen indicios de uso del hierro, cuatro milenios antes de Cristo, por parte de los sumerios y egipcios. En el segundo y tercer milenio, antes de Cristo, van apareciendo cada vez más objetos de hierro (que se distingue del hierro procedente de meteoritos por la ausencia de níquel) en Mesopotamia, Anatolia y Egipto. Sin embargo, su uso parece ser ceremonial, siendo un metal muy caro, más que el oro. Algunas fuentes sugieren que tal vez se obtuviera como subproducto de la obtención de cobre. Entre 1600 a. C. y 1200 a. C. va aumentando su uso en Oriente Medio, pero no sustituye al predominante uso del bronce. Entre los siglos XII a. C. y X a. C. se produce una rápida transición en Oriente Medio desde las armas de bronce a las de hierro. Esta rápida transición tal vez fuera debida a la falta de estaño, antes que a una mejora en la tecnología en el trabajo del hierro. A este periodo, que se produjo en diferentes fechas según el lugar, se denomina Edad de Hierro, sustituyendo a la Edad de Bronce. En Grecia comenzó a emplearse en torno al año 1000 a. C. y no llegó a Europa occidental hasta el siglo VII a. C. La sustitución del bronce por el hierro fue paulatina, pues era difícil fabricar piezas de hierro: localizar el mineral, luego fundirlo a temperaturas altas para finalmente forjarlo. En Europa Central, surgió en el siglo IX a. C. la cultura de Hallstatt (sustituyendo a la cultura de los campos de urnas, que se denomina primera Edad de Hierro, pues coincide con la introducción de este metal. Hacia el 450 a. C. se desarrolló la cultura de La Tène, también denominada segunda Edad de Hierro. El hierro se usa en herramientas, armas y joyería, aunque siguen encontrándose objetos de bronce. Junto con esta transición del bronce al hierro se descubrió el proceso de carburización, consistente en añadir carbono al hierro. El hierro se obtenía como

una mezcla de hierro y escoria, con algo de carbono o carburos, y era forjado, quitando la escoria y oxidando el carbono, creando así el producto ya con una forma. Este hierro forjado tenía un contenido en carbono muy bajo y no se podía endurecer fácilmente al enfriarlo en agua. Se observó que se podía obtener un producto mucho más duro calentando la pieza de hierro forjado en un lecho de carbón vegetal, para entonces sumergirlo en agua o aceite. El producto resultante, que tenía una superficie de acero, era más duro y menos frágil que el bronce, al que comenzó a reemplazar. En China el primer hierro que se utilizó también procedía de meteoritos, habiéndose encontrado objetos de hierro forjado en el noroeste, cerca de Xinjiang, del siglo VIII a. C. El procedimiento era el mismo que el utilizado en Oriente Medio y Europa. En los últimos años de la Dinastía Zhou (550 a. C.) se consigue obtener hierro colado (producto de la fusión del arrabio). El mineral encontrado allí presenta un alto contenido en fósforo, con lo que funde a temperaturas menores que en Europa y otros sitios. Sin embargo durante bastante tiempo, hasta la Dinastía Qing (hacia 221 a. C.), no tuvo una gran repercusión. El hierro colado tardó más en Europa, pues no se conseguía la temperatura suficiente. Algunas de las primeras muestras de hierro colado se han encontrado en Suecia, en Lapphyttan y Vinarhyttan, del 1150 a 1350. En la Edad Media, y hasta finales del siglo XIX, muchos países europeos empleaban como método siderúrgico la farga catalana. Se obtenía hierro y acero bajo en carbono empleando carbón vegetal y el mineral de hierro. Este sistema estaba ya implantado en el siglo XV, y se conseguían alcanzar hasta unos 1200 °C. Este procedimiento fue sustituido por el empleado en los altos hornos. En un principio se usaba carbón vegetal para la obtención de hierro como fuente de calor y como agente reductor. En el siglo XVIII, en Inglaterra, comenzó a escasear y hacerse más caro el carbón vegetal, y esto hizo que comenzara a utilizarse coque, un combustible fósil, como alternativa. Fue utilizado por primera vez por Abraham Darby, a principios del siglo XVIII, que construyó en Coalbrookdale un alto horno. Asimismo, el coque se empleó como fuente de energía en la Revolución Industrial. En este periodo la demanda de hierro fue cada vez mayor, por ejemplo para su aplicación en ferrocarriles. El alto horno fue evolucionando a lo largo de los años. Henry Cort, en 1784, aplicó nuevas técnicas que mejoraron la producción. En 1826 el alemán Friedrich Harkot construye un alto horno sin mampostería para humos. Hacia finales del siglo XVIII y comienzos del XIX se comenzó a emplear

ampliamente el hierro como elemento estructural (en puentes, edificios, etcétera). Entre 1776 a 1779 se construye el primer puente de fundición de hierro, construido por John Wilkinson y Abraham Darby. En Inglaterra se emplea por primera vez en la construcción de edificios, por Mathew Boulton y James Watt, a principios del siglo XIX. También son conocidas otras obras de ese siglo, por ejemplo el Palacio de Cristal construido para la Exposición Universal de 1851 en Londres, del arquitecto Joseph Paxton, que tiene un armazón de hierro, o la Torre Eiffel, en París, construida en 1889 para la Exposición Universal, en donde se utilizaron miles de toneladas de hierro

DESARROLLO ACERO Definición y Características El acero es una aleación de hierro y carbono (máximo 2.11% de carbono), al cual se le adicionan variados elementos de aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas específicas para su diferente utilización en la industria. Los principales elementos de aleación son: Cromo, Tungsteno, Manganeso, Níquel, Vanadio, Cobalto, Molibdeno, Cobre, Azufre y Fósforo. Los productos ferrosos con más de 2.11% de carbono denominan fundiciones de hierro. Clasificación Los aceros se pueden clasificar de acuerdo a su utilización, su calidad y su composición. 

ACEROS ESTRUCTURALES AL CARBONO

 ACEROS ESTRUCTURALES DE ALTA RESISTENCIA Y ALEACIÓN Estos son los aceros micro aleados, se elaboran con bajos contenidos de carbono y se alean con pequeñas cantidades de V, N, Ti, Nb, además de Ca, Zr para controlar la forma de los sulfuros. Estos aceros tienen buena tenacidad, debido al buen control de inclusiones que se ejerce en su fabricación. 

ACEROS AL CARBONO PARA HERRAMIENTAS MATRICES

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ACEROS PARA TRABAJO EN FRÍO O INDEFORMABLES ACEROS RESISTENTES AL CHOQUE ACEROS RÁPIDOS ACEROS PARA TRABAJO EN CALIENTE ACEROS PARA PROPÓSITOS ESPECIALES INOXIDABLES RESISTENTES A LA OXIDACIÓN A ALTA TEMPERATURA RESISTENTES AL DESGASTE PARA RESORTES PARA USOS ELÉCTRICOS ACEROS PARA HERRAMIENTAS

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Un acero de herramientas es el que es capaz de ser templado y revenido. La diferencia importante con los aceros de maquinaria es que los de herramientas son fabricados bajo condiciones cuidadosamente controladas para garantizar su calidad. El sistema de designación establecido por la AISI es de una letra y un número. La letra indica un grupo dentro del cual se ha clasificado el acero y el número designa la composición específica dentro de ese grupo. La composición que se da a cada tipo es solo para su identificación y no implica una especificación del acero. La clasificación está constituida por siete grupos principales, algunos de ellos tienen subgrupos basados en las características de su composición química o en su forma de tratamiento térmico.

La siguiente es la designación AISI de aceros de herramientas:

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ACEROS PARA IMPACTO SÍMBOLO: S

 ACEROS INOXIDABLES Estos aceros contienen mínimo 12 % de Cromo para ser resistentes a la corrosión. El sistema AISI para su denominación utiliza tres cifras: la primera indica el grupo y las dos últimas señalan la ubicación en el mismo. Así:

FORJADO El forjado es un proceso de deformación en el cual el material se comprime entre los dados, usando impacto o presión gradual para formar la parte. Es la operación más antigua para formado de metales y se remonta quizá al año 5000 a.C. En la actualidad el forjado es un proceso industrial importante, mediante el cual se hacen una variedad de componentes de alta resistencia para automóviles, vehículos aeroespaciales y otras aplicaciones, la industria del acero y de otros metales básicos usa el forjado para fijar la forma básica de grandes componentes que luego se maquinan para lograr su forma final y dimensiones definitivas. Una manera de clasificar las operaciones de forja es mediante la temperatura de trabajo. La mayoría de las operaciones de forja se realizan en caliente (por arriba y por debajo de la temperatura de recristalización), dada la demanda de deformación que el proceso requiere y la necesidad de reducir la resistencia e incrementar la ductilidad del metal de trabajo, sin embargo, el forjado en frío también es muy común para ciertos productos. La ventaja del forjado en frío es la mayor resistencia que adquiere el material, que resulta del endurecimiento por deformación. En el forjado se aplica la presión por impacto o en forma gradual. La diferencia depende más del tipo de equipo que de las diferencias en la tecnología de los procesos. Una máquina de forjado que aplica cargas de impacto se llama martinete de forja, mientras la que aplica presión gradual se llama prensa de forjado. Otra diferencia, entre las operaciones de forjado es el grado en que los dados restringen el flujo del metal de trabajo. Atendiendo a esta clasificación, hay tres tipos de operaciones de forjado: a) Forjado en dado abierto b) forjado en dado impresor c) forjado sin rebaba.

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Forjado en dado abierto

El caso más simple de forjado consiste en comprimir una parte de sección cilíndrica entre dos dados planos, muy semejante a un ensayo de la compresión. Esta operación de forjado se conoce como recalcado o forjado para recalcar, reduce la altura de material de trabajo e incrementa su diámetro.

Práctica del forjado en dado abierto El forjado caliente, en dado abierto es un proceso industrial importante. Las formas generadas por operaciones en dado abierto son simples. Los dados en algunas aplicaciones tienen superficies con ligeros contornos que ayudan a formar el material de trabajo. Éste, además, debe manipularse frecuentemente (girándolo en cada paso, por ejemplo) para efectuar los cambios de forma requeridos. La habilidad del operador es un factor importante para el éxito de estas operaciones. Un ejemplo de forjado en dado abierto en la industria del acero es el formado de grandes lingotes cuadrados para convertirlos en secciones redondas. Las operaciones de forja en dado abierto producen formas rudimentarias que necesitan operaciones posteriores para refinar las partes a sus dimensiones y geometría final. Una contribución importante del forjado en caliente en dado abierto es la creación de un flujo de granos y de una estructura metalúrgica favorable en el metal.

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Forjado con dado impresor

Llamado algunas veces forjado en dado cerrado, se realiza con dados que tienen la forma inversa a la requerida para la parte

La pieza de trabajo inicial se muestra como una parte cilíndrica. Al cerrarse el dado y llegar a su posición final, el metal fluye más allá de la cavidad del dado y forma una rebaba en la pequeña abertura entre las placas del dado. Aunque la rebaba se recorta posteriormente, tiene realmente una función importante en el forjado por impresión, ya que cuando ésta empieza a formarse, la fricción se opone a que el metal siga fluyendo hacia la abertura, y de esta manera fuerza al material de trabajo a permanecer en la cavidad, En el formado en caliente, la restricción del flujo de metal es mayor debido a que la rebaba delgada se enfría rápidamente contra las placas del dado, incrementando la resistencia a la deformación. La restricción del flujo de metal en la abertura hace que las presiones de compresión se incrementen significativamente, forzando al material a llenar los detalles algunas veces intrincados de la cavidad del dado, con esto se obtiene un producto de alta calidad. Con frecuencia se requieren varios pasos en el forjado con dado impresor para transformar la forma inicial en la forma final deseada. Para cada paso se necesitan cavidades separadas. Los pasos iniciales se diseñan para redistribuir el metal en la parte de trabajo y conseguir así una deformación uniforme y la estructura metálica requerida para las etapas siguientes. Los últimos pasos le dan el acabado final a la pieza. Además, cuando se usan martinetes; se pueden requerir varios golpes de martillo para cada paso. Cuando el forjado con martinete se hace a mano, como sucede a menudo, se requiere considerable habilidad del operador para lograr resultados consistentes en condiciones adversas.

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Forjado sin rebaba

En la terminología industrial, el forjado con dado impresor se llama algunas veces forjado en dado cerrado. Sin embargo, hay una distinción técnica entre forjado con dado impresor y forjado con dado cerrado real. La distinción es que en el forjado con dado cerrado, la pieza de trabajo original queda contenida completamente dentro de la cavidad del dado durante la compresión y no se forma rebaba. El forjado sin rebaba impone ciertos requerimiento sobre el control del proceso, más exigentes que el forjado con dado impresor. El parámetro más importante es que el volumen del material de trabajo debe igualar al volumen de la cavidad del dado dentro de muy estrechas tolerancias. Si la pieza de trabajo inicial es demasiado grande, la presión excesiva puede causar daño al dado o a la prensa. Si la pieza de trabajo es demasiado pequeña, no se llenará la cavidad. Debido a este requerimiento especial, el proceso es más adecuado en la manufactura de partes geométricas simples y simétricas, y para trabajar metales como el aluminio, el magnesio o sus aleaciones. El forjado sin rebaba se clasifica frecuentemente como un proceso de forjado de precisión.

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Forjado con rodillos

Es un proceso de deformación que se usa para reducir la sección transversal de una pieza de trabajo cilíndrica (o rectangular), ésta pasa a través de una serie de rodillos opuestos con canales que igualan la forma requerida por la parte final. El forjado con rodillos se clasifica generalmente como un proceso de forja, aun cuando utiliza rodillos. Los rodillos no giran continuamente, sino solamente a través de una porción de revolución que corresponde a la deformación que

requiere la parte. La partes forjadas con rodillos son generalmente más fuertes y poseen una estructura granular favorable con respecto a otros procesos competidores como el maquinado que puede usarse para producir estas mismas partes.

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Forjado orbital

En este proceso, la deformación ocurre por medio de un dado superior en forma de cono que presiona y gira simultáneamente sobre el material de trabajo. El material de trabajo se comprime sobre un dado inferior que tiene una cavidad. Debido a que el eje del cono está inclinado, solamente una pequeña área de la superficie del material de trabajo se comprime en cualquier momento. Al revolver el dado superior, el área bajo compresión también gira. Estas operaciones características del forjado orbital producen una reducción sustancial en la carga requerida de la prensa para alcanzar la deformación del material del trabajo.

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Forjado isotérmico en dado caliente

El forjado isotérmico es un término que se aplica a operaciones de forjado caliente, donde la parte de trabajo se mantiene a temperaturas elevadas durante todo el proceso. Si se evita que la pieza de trabajo se enfríe al contacto con la superficie fría de los dados, como se hace en el forjado convencional, el metal fluye más fácilmente y la fuerza requerida para desempeñar el proceso se reduce. El forjado isotérmico es más costoso que el forjado convencional y se reserva para metales difíciles de forjar, como el titanio y las súper aleaciones, y para partes complejas. El proceso se lleva a cabo algunas veces al vacío para evitar la oxidación rápida del material del dado. Similar al forjado isotérmico es el forjado con dado caliente, en el cual se calientan los dados a una temperatura algo menor que la del metal de trabajo.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO Son operaciones o conjunto de operaciones que consisten en someter a los aceros en estado sólido a uno o varios ciclos térmicos con el objeto de “mejorar” sus características a través de provocarle cambios en su estructura.

Todo tratamiento térmico consta de tres etapas:   

Calentamiento Permanencia a una temperatura determinada Enfriamiento

En la mayoría de ellos, el calentamiento debe hacerse hasta unos 30 a 50ºC por encima de la temperatura Ac3 obtenida del diagrama Fe-C. Las piezas deben colocarse en el horno frío y la temperatura elevarse lentamente, tanto más cuanto mayor sea la sección de la pieza o cuando se tratan aceros especiales de alta aleación, para evitar tensiones por dilataciones desiguales entre el núcleo y la superficie. Cuando, como ocurre frecuentemente, se carga el horno ya caliente, sólo en esos casos particulares se especifica uno o dos precalentamientos. La pieza debe permanecer en el horno hasta que la temperatura se iguale en todos sus puntos y la estructura se homogenice. Una regla conservadora recomienda que el tiempo de permanencia sea de una hora por pulgada de espesor. Si la temperatura es demasiado alta o el tiempo excesivo, se producirá un sobrecalentamiento, es decir, se obtendrá tamaño de grano basto (muy grande) que es perjudicial para el acero. En ese caso, si no hubo alteración de los bordes de grano, luego del sobrecalentamiento puede regenerarse la estructura mediante otro tratamiento térmico. En cambio, cuando penetra oxígeno en ellos, se produce un quemado, que ya no puede corregirse.

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Recocido

El recocido consiste en un tratamiento con enfriamiento lento, en horno, desde la fase austenítica. Cuando se trata del recocido de aceros hipereutectoides, el calentamiento debe realizarse sólo ligeramente por encima de la temperatura eutectoide para evitar la formación de una red de cementita en los límites de grano de la austenita, que fragilice el material. Las cantidades relativas de los constituyentes se obtienen con gran aproximación por medio de un análisis de fases en el diagrama Fe-C. Hay muchas variantes de recocidos, que se utilizan para aplicaciones y/o aceros especiales.

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Tratamiento con enfriamiento rápido: temple

En el temple‚ toda la masa de acero debe encontrarse en estado austenítico en el momento de comenzar el enfriamiento. Si éste se realiza con suficiente rapidez, no dando lugar a la difusión de átomos de carbono, la transformación de la austenita ocurrirá recién por debajo de los 350ºC y todo el material quedará con gran dureza debido a la aparición de un nuevo constituyente en la microestructura denominado martensita. Aunque los aceros martensíticos constituyen sólo una pequeña parte del acero usado industrialmente son de excepcional importancia para aquellas aplicaciones que requieran alta resistencia mecánica dureza, resistencia al desgaste y a la fatiga. Pueden tener resistencia a la tracción de más de 20 kg/cm2; son los materiales de ingeniería más resistentes.

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Revenido de la martensita

Los aceros después del temple suelen quedar demasiado duros y frágiles para los usos a que van a ser destinados. Estos inconvenientes se corrigen con un revenido; consiste en el calentamiento a una temperatura inferior a la crítica A1, enfriándolo luego generalmente al aire. El objeto del revenido no es eliminar los efectos del temple sino modificarlos, disminuyendo la fragilidad, aumentando la tenacidad y eliminando también las tensiones internas que quedan siempre en los aceros templados. Su efecto principal es disminuir la tetragonalidad de la red; además tiene un beneficioso efecto sobre la austenita retenida que pueda hallarse presente. Todo esto en detrimento de la dureza y la resistencia. El revenido se produce como consecuencia de la inestabilidad de la martensita, que tiende a volver a las fases estables (ferrita y carburo) cuando es calentada.

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Tratamientos de endurecimiento superficial

La mayor parte de las piezas que componen las máquinas y motores, se fabrican de forma que sus propiedades mecánicas sean uniformes en toda su masa. Sin embargo, en ciertos mecanismos es necesario que algunos componentes tengan superficies muy duras, resistentes al desgaste y a la penetración, y el núcleo central muy tenaz, para poder soportar los choques a que están sometidas. Los procedimientos más usuales para conseguir estas características son los temples superficiales, los tratamientos termoquímicos (cementación, cianuración, nitruración, etc), el depósito por soldadura de delgadas capas de alto contenido de carbono, y el cromado duro.

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Temples superficiales

El temple superficial es un temple local, durante el cual se endurece sólo la capa superficial hasta una cierta profundidad, dejando sin templar el núcleo de la pieza. Se realiza calentando rápidamente el acero hasta una temperatura superior al punto crítico A3, para lograr la austenización completa hasta una determinada profundidad, y a continuación enfriarlo a una velocidad superior a la crítica para la obtención de la martensita. Su objetivo es aumentar la dureza superficial, la resistencia al desgaste y el límite de fatiga de la pieza, mientras que el núcleo se conserva tenaz y soporta las cargas de impacto. Los aceros empleados deben tener un contenido de carbono superior al 0,4 % para que la martensita obtenida sea efectivamente dura. Por otro lado, para que las capas queden bien adheridas al resto del material y evitar descascaramientos superficiales debidos a la transición demasiado brusca de las zonas duras a las blandas, conviene que el porcentaje de este elemento no supere el 0,60 %.

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Temple a la llama

Se emplean instalaciones que constan de uno o varios sopletes que calientan las partes de la pieza que se desea endurecer, y varios chorros de agua o depósitos que enfrían rápidamente las zonas calientes que quedan templadas y con gran dureza. El foco de calor o la pieza se mueven constante o alternativamente para calentar y templar sucesivamente todas las zonas que hay que endurecer.

Este método es muy empleado para piezas de gran tamaño (rodillos de laminación, ejes, etc.), obteniéndose capas endurecidas de 2 a 5 mm de espesor, con durezas de 50 a 56 HRc.

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Temple por inducción

Este procedimiento se utiliza para endurecer superficialmente piezas de aceros de distintos tamaños, hasta muy pequeñas. El calentamiento por corrientes de alta frecuencia se efectúa en pocos segundos, pudiéndose además localizar el tratamiento en zonas muy limitadas. Las piezas se colocan en el interior de una espira o conjunto de espiras de forma apropiada, a través de las cuales se hace pasar una corriente eléctrica de alta frecuencia que calienta las piezas a elevada temperatura. Luego se enfrían rápidamente con ducha de agua o introduciéndolas en un recipiente de agua o aceite. Cigüeñales, ejes de distribución, engranajes y muchas otras piezas son sometidas a este tratamiento directamente en la línea de producción. Se obtienen durezas de 55 a 60 HRc, según el contenido de carbono del acero.

CROQUIS

Tinas para tratamiento térmicos enfriamiento utilizan Salmuera sales de cianuro agua y nitrato

Hornos eléctricos temperatura máxima 600 °C Hornos cubo negro pirómetro indica la temperatura Se pueden variar 1600°C y 1000°C temperatura máxima Horno de gas tipo crisol tiro forzado ventiladoras Tiro inducido chimenea para sacar el humo Horno de gas tipo cámara 1500

Estampadora 3000KN capacidad máxima convertir a tonelada Prensa 45 toneladas Martillo de caída libre o de tablas 20 toneladas Dados matrices o troqueles

Ariete donde se coloca el material.

Martinete hidráulico o pinol 140 golpes por minuto e impacto máximo de una tonelada y .5 toneladas. Horno de gas temperatura 1100°C -120°C Roladora Troqueladora Horno de gas para tratamientos térmicos 1200°C Yunque

Fragua a base de ladrillo carbón mineral, de piedra ventaja la temperatura que alcanza 1400°C

CONCLUSIONES El recorrido tuvo la finalidad de darnos a conocer el equipo que se encuentra dentro del laboratorio, cómo funcionan algunas máquinas y las características básicas de cada una de ellas, así como sus reglas y método de trabajo del profesor encargado.