Appunti Studi di fabbricazione

Introduzione

Lo studio di fabbricazione rappresenta l’insieme delle attività che permette di trasformare il progetto di dettaglio di un prodotto in progetto di fabbricazione. L’ambito dello studio di fabbricazione è la produzione manifatturiera (produzione per parti, che permette di eseguire il percorso di assemblaggio a ritroso), ovvero dove si realizzano prodotti composti da un numero finito di componenti discreti (l’alternativa alla produzione manifatturiera è la produzione per processo, cioè dove il prodotto finale non presenta distinzioni tra i suoi costituenti e quindi impossibile da disassemblare).

Le fasi della produzione manifatturiera sono la fabbricazione e l’assemblaggio. Lo studio di fabbricazione permette di generare il “process plan” (=piano di processo), per la realizzazione di un prodotto, ovvero il piano dettagliato descrivente le operazioni necessarie per fabbricare ed assemblare i singoli componenti, allo scopo di ottenere il prodotto finito. Un piano di processo è quindi la rappresentazione univoca della modalità di realizzazione del prodotto e a ciascun piano corrisponde la realizzazione di una sola tipologia di prodotto.

Oltre a questo, lo studio di fabbricazione contribuisce anche:

• Alla definizione del costo del prodotto: si ha un piano di processo contenente informazioni che rappresentano la base per preparare il preventivo per l’acquisizione dell’ordine (produzione su commessa) e per definire il prezzo di vendita del prodotto (produzione a magazzino);
• Alla valutazione delle inefficienze di produzione: si ha un piano di processo utile per stabilire i motivi che hanno portato a perdite di produttività (tempi di realizzazione lunghi), a riduzione dei ricavi o perdite (costi elevati) e a perdite di qualità (limiti qualitativi del prodotto);
• Alla scelta o alla progettazione del sistema di produzione: si hanno informazioni contenute nel piano di processo, utili per scegliere/progettare le macchine per realizzare i processi, i sistemi per eseguire i controlli, il sistema di movimentazione ed immagazzinamento, il layout del sistema di produzione, …

La complessità dello studio di fabbricazione risiede nel fatto che il singolo componente viene spesso realizzato attraverso una combinazione di processi, e quindi più aumentano i componenti più saranno i processi necessari per la loro realizzazione.

In uno studio di fabbricazione avremo come input i disegni di componenti, sottoassiemi e prodotto finito, nonché l’elenco dei componenti, semilavorati, …, e la quantità di prodotti da produrre ed i tempi di consegna; come output, invece, ricaveremo i piani di processo per la fabbricazione e l’assemblaggio, il costo del prodotto ed il progetto/scelta del sistema di produzione.

Per portare avanti uno studio di fabbricazione non esistono metodi unanimemente accettati ma vengono utilizzati dei metodi manuali e/o assistiti dal calcolatore. Nei primi le scelte sono legate a caratteristiche del pianificatore quali l’esperienza, le conoscenze, l’abilità, che possono però costituire degli inconvenienti sulla pianificazione (oltre a tempi di pianificazione lunghi ed aumento dei costi); queste limitazioni vengono superate attraverso l’utilizzo di sistemi di pianificazione, assistiti dal calcolatore (CAPP=“Computer Aided Process Planning”), che può essere di tipo variante (si ha a disposizione un piano simile e lo si modifica in modo da combaciare con il processo in corso), di tipo generativo (ex-novo) o di tipo semi-generativo (media tra i due precedenti).

Inoltre, lo studio di fabbricazione può essere affrontato attraverso un:

• Approccio sequenziale (/tradizionale): è uno studio formato da uno step della sequenza di attività relative al ciclo di realizzazione del prodotto;
• Approccio simultaneo (/innovativo): è uno studio svolto contemporaneamente ad altre attività, incluse nel ciclo di realizzazione del prodotto.

Uno studio di fabbricazione, svolto con un approccio sequenziale, a valle della progettazione, può comportare ad avere la necessità di eseguire molte modifiche del progetto e ciò induce ad un aumento dei costi. Invece, con un approccio simultaneo, basato sull’utilizzo di team multifunzionali, si rafforza l’interazione tra le attività di progettazione e quelle di pianificazione dei processi produttivi, facendo così ridurre il time-to-market, i costi e di aumentare la qualità, ma, allo stesso tempo, potrebbero sorgere dei problemi nel passaggio di ruolo tra progettista solitario e progettista in un team.

Richiami sui principali processi produttivi nell’industria manifatturiera

I processi produttivi consentono la fabbricazione della parte/prodotto e sono sviluppati per tutte le categorie di materiali da costruzione. Andiamo a richiamare alcuni dei processi più importanti:

• Processi di consolidamento da liquido: basati sulla colata del materiale allo stato liquido, entro una cavità opportunamente realizzata, cioè la forma, che può essere transitoria o permanente. La colata viene effettuata per gravità o sotto pressione. In questi processi vengono realizzate parti in leghe metalliche (fonderia) o materiali non metallici (materie plastiche), con una geometria complessa.
• Processi di consolidamento da polveri: si parte da un materiale in polvere che viene compattato in un forno e successivamente sottoposto ad un processo di sintetizzazione, ottenendo la formazione di legami chimici tra i granuli di polvere. Questa tecnica prevede costi elevati per quanto concerne le apparecchiature e le attrezzature, pertanto, è adatta a produzioni di media e grande serie;
• Processi di formatura plastica: permettono di fabbricare la parte, attraverso l’applicazione di carichi di compressione o di trazione, che provocano deformazioni plastiche, responsabili dei cambiamenti di forma. Possono essere eseguiti a freddo, a tiepido o a caldo e, se eseguiti nei primi stadi del ciclo di fabbricazione su semilavorati siderurgici permettono di ottenere semilavorati, mentre, se eseguiti su semilavorati, consentono la fabbricazione di parti “net shape” o “near net shape”. Alcuni esempi di processi di formatura plastica sono lo stampaggio massivo, la laminazione, l’estrusione e la piegatura; la formatura plastica avviene anche sulle resine di tipo termoplastico, difatti la termoformatura è un processo di deformazione a caldo di una lastra in resina termoplastica.
• Processi di rimozione: permettono di generare superfici, caratterizzate dai livelli di precisione e finitura desiderati, asportando strati superficiali di materiale dal pezzo (lavorazioni per asportazione di truciolo con processi convenzionali, rimozione causata da altri meccanismi, come reazioni chimiche, con processi non convenzionali). Per quanto riguarda le lavorazioni per asportazione di truciolo abbiamo la tornitura, dove si lavorano parti assialsimmetriche, in particolare solidi di rivoluzione, mettendo in rotazione con il tornio la parte attorno al proprio asse, grazie al mandrino, cioè l’asse che conferisce il moto rotatorio all’utensile o al pezzo. L’asse del pezzo coincide con l’asse di rotazione del mandrino, quando abbiamo a disposizione una piattaforma autocentrante (3 morsetti che operano simultaneamente). La contropunta nel tornio serve per sostenere l’estremità non bloccata della piattaforma autocentrante del pezzo, ma se sostituissi la contropunta con una punta elicoidale, potrei realizzare un foro, che deve avere asse coincidente con l’asse di rotazione del pezzo. Inoltre, il moto di avanzamento del tornio sul pezzo è longitudinale (tornitura cilindrica), oppure può avvenire trasversalmente, o addirittura si possono combinare i due effetti.
• Fresatura: una lavorazione dove si generano superfici piane, e le parti sono prismatiche (qualunque forma tranne i solidi di rivoluzione). La parte viene posta sulla tavola della macchina, detta fresatrice (la fresa è invece l’utensile), che ha delle staffe di bloccaggio. Il moto di taglio della fresatura è dato dall’utensile, che ruota attorno al proprio asse, mentre il moto di alimentazione è dato dalla traslazione intermittente della tavola. La fresatura può essere realizzata con asse di rotazione parallelo alla superficie piana da generare (fresatura periferica), ma l’asse potrebbe essere perpendicolare alla superficie generata (fresatura frontale).
• Foratura: dove abbiamo come utensile una punta elicoidale, che ruota attorno al proprio asse e trasla verso il pezzo, al fine di crearne un foro.
• Alesatura: che corregge lievemente l’assialità ed il diametro dei fori, chiamato alesaggio. Si esegue a mano con gli alesatori montati sui giramaschi, oppure a macchina con l’alesatrice.
• Processi di fabbricazione additiva: questi consentono la realizzazione di parti, generando e sovrapponendo strati di materiale e rovesciano il principio di funzionamento delle tecniche di fabbricazione per rimozione, attraverso le quali si procede per sottrazione dal piano (il principale vantaggio è quello di ottenere forme geometriche complesse non realizzabili con altri processi produttivi ed anche il costo delle macchine è notevolmente diminuito, pur essendo una tecnologia nuova).

I principali campi di applicazione sono:

• Prototipazione rapida: si realizzano modelli fisici e prototipi funzionali, in tempi brevi, a partire da modelli matematici;
• Realizzazione rapida di utensili: si fabbricano, velocemente, inserti o utensili, a partire da modelli matematici;
• Produzione rapida di parti: si fabbricano, velocemente, parti ad uso diretto, partendo da modelli matematici.

Questa tipologia di processi viene suddivisa in tre macro aree, in base alle caratteristiche di consistenza della materia prima, che viene compattata, cioè polveri, solidi e liquido.

Formatura dei materiali compositi: (composito = matrice + rinforzo) sono dei processi di formatura caratterizzati dalla deposizione del composito su uno stampo, che conferisce al materiale la forma desiderata, grazie ad un processo di consolidamento. Le tecnologie più diffuse sono quelle basate sulla sovrapposizione di lamine in uno stampo.

Processi di collegamento: sono distinti fondamentalmente in:

• Permanenti: saldatura, fissaggio meccanico, incollaggio.
• Non permanenti: ottenuti mediante viti o bulloni, utilizzati quando il collegamento deve essere smontabile.

Lavorazioni non convenzionali: in esse l’energia necessaria per eseguire la lavorazione, viene generata utilizzando sorgenti (elettriche/chimiche/…) in modo non convenzionale (taglio laser, elettroerosione, …);

La saldatura consente di realizzare un collegamento permanente; essa prevede l’unione tra due parti per l’ottenimento del giunto, mediante fusione del metallo costituente le parti stesse e/o di metallo aggiunto. Quindi si parla di metallo base come metallo costituente le parti da saldare, di metallo d’apporto come metallo aggiunto per la formazione del giunto ed infine di giunto saldato (cordone) come risultato finale. I processi di saldatura possono essere classificati in:

• Saldatura autogena: si ha la formazione del giunto, con la partecipazione del metallo base, che fonde durante il processo; il metallo d’apporto potrà quindi essere presente o meno a seconda del processo e dello spessore delle parti da collegare e la composizione deve essere simile a quella del metallo base;
• Saldatura eterogenea: in questo caso, il giunto viene ottenuto grazie alla fusione del solo metallo d’apporto, che deve avere una composizione chimica diversa da quella del metallo base (ed una temperatura di fusione inferiore a quella del metallo base).

I principali processi di saldatura autogena si distinguono in saldatura per fusione (attraverso l’utilizzo di un arco voltaico/a gas/al plasma/laser) ed in saldatura elettrica per resistenza (per punti, tramite l’azione combinata di pressione e corrente localizzata in un punto, oppure a rulli). Per quanto riguarda le saldature eterogenee citiamo la saldobrasatura, dove vi è la preparazione dei lembi da collegare simile a quella della saldatura per fusione, e la brasatura, dove i lembi sono accostati senza preparazione e vi è un piccolo meato tra di essi per consentire la penetrazione per capillarità del metallo d’apporto (si parla di brasatura dolce quando si ha il metallo d’apporto con T <450°C, e di brasatura forte quando T >450°C).

L’arco voltaico determina la manifestazione del passaggio di corrente in un mezzo gassoso ionizzato; viene definito come un conduttore gassoso, che trasforma l’energia elettrica che lo attraversa in calore. Consideriamo un circuito elettrico aperto, alimentato da un generatore, con due elettrodi alle estremità ed applicando una differenza di potenziale V, dipendente dalla distanza, dalla temperatura e dal tipo di mezzo gassoso utilizzato, osserviamo un movimento ad alta velocità degli elettrodi emessi dal catodo (potenziale minore) verso l’anodo (potenziale maggiore). L’urto tra elettroni ed atomi del gas, presente tra gli elettrodi, produce una forte emissione di energia termica e radiazione luminosa. Si ha quindi l’innesco di un fenomeno di ionizzazione degli atomi dell’atmosfera gassosa, che si scindono in:

• +ioni che neutralizzano la carica al catodo;
• -elettroni che si uniscono a quelli in moto verso l’anodo.

La formazione dell’arco voltaico, fortemente conduttivo dal punto di vista elettrico, si sostituisce all’atmosfera dielettrica presente, prima dell’innesco dell’arco; questo fenomeno è in grado di autosostenersi purché sia sufficientemente grande (il per l’innesco dell’arco deve però essere di entità tale da garantire la sicurezza dell’operatore, e queste viene ottenuto attraverso l’effetto termoionico degli elettrodi, i quali sono sottoposti ad un riscaldamento localizzato, grazie al quale si indeboliscono le forze che tengono vincolati gli elettrodi alle rispettive orbite).

La sezione trasversale dell’arco è generalmente circolare ed è formata da due zone concentriche:

• Plasma (zona interna): conduce la maggior parte della corrente;
• Fiamma (zona esterna): zona dell’arco più fredda.

Le temperature tipiche degli elettrodi non sono uguali, infatti il catodo è più freddo dell’anodo (2700K contro i 3500K), perché all’anodo vanno a scaricarsi gli elettroni che derivano dal gas presente nella ionizzazione. Inoltre, spesso si utilizza l’elettrodo di tungsteno perché ha un’elevata capacità di emettere elettroni e quindi rende stabile l’arco anche con correnti basse.

Veniamo adesso all’utilizzo della tecnica dell’arco voltaico nel processo di saldatura, ovvero la cosiddetta saldatura ad arco voltaico: in essa il calore generato dall’arco viene utilizzato per collegare in modo permanente parti metalliche. Le parti da saldare sono costituenti uno degli elettrodi dell’arco e la corrente elettrica necessaria viene fornita dalla saldatrice. La modalità di esecuzione della saldatura può differire in:

• Polarità diretta (PD): l’anodo è costituito dal pezzo da saldare (favorisce la profondità di penetrazione);
• Polarità inversa (PI): il catodo è costituito dal pezzo da saldare.

La caratteristica dell’arco rappresenta la curva che fornisce la relazione tra tensione ed intensità di corrente dell’arco voltaico:

• Il tratto a pendenza negativa è per bassi valori di corrente, mentre quella a pendenza positiva è per elevati valori di corrente;
• Il tratto stabile dell’arco è costituito dal tratto a pendenza positiva.

Analizzando il grafico, notiamo che un aumento iniziale di corrente determina una crescita di temperatura che a sua volta determina un aumento del numero di atomi ionizzati, con conseguente crescita della conducibilità elettrica (diminuzione di resistività dell’arco) e di sezione dell’arco; inoltre, con una diminuzione di resistenza dell’arco, si ottiene una diminuzione di potenziale V, nonostante l’incremento della corrente. Quindi, quando siamo nel tratto a pendenza negativa, si dice che siamo nel regime di funzionamento libero, perché la sezione dell’arco S può crescere.

Continuando ad aumentare la corrente si ha la completa ionizzazione del gas tra gli elettrodi che avviene al raggiungimento del punto di saturazione I; per I>I, si ha la crescita del prodotto RI, secondo un andamento simile a quello fornito dalla legge di Ohm. Per cui, nella zona a tratto crescente siamo nella condizione di regime di funzionamento strozzato, perché S non può più crescere con I. All’aumentare della lunghezza dell’arco L, si ha lo spostamento della curva caratteristica verso l’alto, mentre a parità di corrente, la tensione dell’arco cresce all’aumentare della lunghezza dell’arco.

La caratteristica del generatore è la curva che fornisce la relazione tra tensione ed intensità di corrente del generatore. Essa viene definita da tre grandezze fondamentali: V =tensione a vuoto (rappresenta il V ai capi del generatore quando è alimentato con arco spento), I =corrente di cortocircuito (corrente ottenuta cortocircuitando i capi del generatore), pendenza della curva (stabilisce l’entità della variazione di V per una data I).

Sulla base della pendenza della curva, possiamo avere...