Appunti completi Tecnologie e studi di fabbricazione

Tecnologie e studi di fabbricazione

I processi manufatturieri si compongono di due fasi principali: le operazioni di processo e le operazioni di assemblaggio. Le prime sono le vere e proprie operazioni di progettazione, trasformano un semilavorato da un certo stato di avanzamento ad uno più avanzato; le operazioni di assemblaggio invece consistono nell’unire due o più componenti separati per creare una nuova entità. I processi manifatturieri poggiano le basi e sono influenzati da tre elementi principali:

• Materiali: la scelta effettuata sui materiali influenza sensibilmente la scelta del processo produttivo in quanto non tutti i processi di produzione sono adatti per certi materiali per via delle loro proprietà meccaniche.
• Volumi di produzione da garantire: molte volte si adattano i processi scelti in base al target di pezzi da realizzare, per esempio la pressofusione è una tecnica che richiede elevati costi di impianto, di conseguenza non sarà l’alternativa scelta se si vorranno fare solamente pochi pezzi perché il costo d’impianto graverà in maniera proibitiva su di essi.
• Layout aziendale: in parole povere rappresenta la disposizione dei macchinari all’interno della fabbrica. Il processo viene scelto spesso in base al layout aziendale; esistono poi processi più variabili (ossia in caso di modifica della richiesta da parte del cliente io modifico facilmente il mio layout) che però pagheranno lo scotto di una minore capacità produttiva.

I materiali si dividono in tre categorie basiche: metallici, ceramici e polimerici. Dall’unione di due di questi tipi base nascono i materiali compositi che rappresentano un grande passo in avanti in quanto riescono ad unire in sé proprietà meccaniche caratteristiche di tipologie di materiali differenti. Il loro punto di forza è rappresentato quindi dalla versatilità e dall’ampia gamma di processi produttivi che li possono sfruttare.

Principali processi manifatturieri di formatura

I principali processi manifatturieri di formatura sono quattro: fusione, deformazione plastica, asportazione di truciolo e saldatura. Tutti e quattro hanno lo stesso scopo: trasformare la forma di un semilavorato da uno stato grezzo a uno più rifinito o addirittura allo stato finale. La fusione è il processo più veloce, sfrutta la proprietà dei liquidi di assumere la forma del recipiente in cui vengono inseriti; permette di ottenere manufatti con forme complesse in tempi molto brevi, pagando però lo scotto della poca precisione in termini di tolleranze geometriche e superficiali. È per questo che di solito si tende a realizzare come primo un processo un po’ più grezzo e rapido come la fusione o la deformazione plastica, per poi terminare il lavoro andando a rifinire i manufatti superficialmente tramite l’asportazione di truciolo.

La deformazione plastica, che poggia la sua definizione sull’ipotesi che nel passaggio da manufatto sbozzato al manufatto finale il volume non debba cambiare, sfrutta l’idea che ogni materiale è elastico, cioè è più o meno deformabile in base alla temperatura di processo utilizzata.

Prospettive del processo produttivo

Il processo produttivo si può vedere da due punti di vista differenti: il punto di vista tecnologico, che ce lo mostra come processo di lavorazione che ha bisogno di materie prime e macchinari per produrre un componente lavorato; ed un punto di vista economico che descrive il processo produttivo come l’aggiunta di valore economico a dei beni materiali per mezzo di forza lavoro e macchinari.

Esistono prodotti che sono essi stessi l’unica componente ed esistono prodotti assemblati ossia ottenuti dall’assemblaggio di vari componenti differenti. Il materiale con cui si realizza un componente lo sceglie il produttore, basta che rispetti determinate specifiche richieste dal mercato. Ultimamente la tendenza è quella di realizzare prodotti utilizzando materiali compositi ed elettronici perché offrono un’ampia gamma di proprietà meccaniche.

Capacità produttiva e layout aziendale

A seconda dei volumi di produzione richiesti dal cliente, si deve scegliere il processo produttivo più adatto. La capacità produttiva si misura nell’anno di bilancio e corrisponde alla quantità che un impianto può produrre in un certo lasso di tempo; come detto prima, più cresce la capacità produttiva più diminuisce la variabilità di prodotto. Il layout aziendale può essere scelto fra 4 tipologie principali:

• Project shop: tale tipologia si adatta molto bene ai processi per la realizzazione di componenti di misura elevata. Il componente da realizzare tendenzialmente è molto più grande dei macchinari utilizzati, essi devono poter essere spostati facilmente perché il componente in costruzione resta fermo, sono i macchinari a girargli intorno. È necessario un personale fortemente specializzato e di conseguenza risulta complicata l’automatizzazione. Senza dubbio rappresenta il layout più variabile fra tutti in quanto la sua capacità produttiva è piccolissima (1 componente o meno l’anno).
• Flow line and transfer line (o catena di montaggio): layout tipico dei processi di assemblaggio e delle lavorazioni meccaniche; in questo caso gli operatori e i macchinari sono fermi, sono i prodotti da lavorare a muoversi. Ad ogni stazione corrisponde un tempo ben definito, tale cosa fa sì che se la catena è dimensionata al meglio, i tempi si riducono al minimo. Il problema enorme è che se si rompe un macchinario o la catena subisce un arresto, rimane bloccato l’intero processo, diventa così fondamentale l’attività di monitoraggio e previsione guasti.
• Job shop: è la tipica officina meccanica, i macchinari sono raggruppati in determinati settori in base al tipo di lavorazione, il semilavorato si muove da reparto a reparto. Quando non occupate, le macchine restano ferme per diverso tempo, oltretutto i manufatti seguono un percorso piuttosto complesso che rende difficile la tracciabilità delle lavorazioni già svolte. Si adatta piuttosto bene alla variabilità di prodotto in quanto se viene apportata una modifica io non devo sostituire i macchinari, semplicemente li uso per un’altra lavorazione. Si adatta inoltre molto bene all’espansione di impianto e alla variazione di volume di produzione.
• Cellular system: è una via di mezzo fra i layout job shop e flow line, presenta una bassa produttività (inferiore ai sistemi in linea, ma superiore al job shop). Si realizza la cella come una sorta di piccola linea di montaggio. Un sistema (spesso antropomorfo) sposta il semilavorato da un macchinario ad un altro chiaramente solo se interni alla stessa cella, i macchinari sono raggruppati insieme in base alle tipologie dei componenti prodotti. Successivamente, quando un macchinario si libera comincia subito un’altra lavorazione, non resta mai inattivo. La variabilità è facilmente assorbibile se la modifica è fatta sul prodotto e non sulla disposizione delle macchine; all’interno della stessa singola cella non viene lavorato sempre e solo lo stesso tipo di componente, ma anche più pezzi diversi, ma appartenenti alla stessa “famiglia”.

Metodologia e strumenti per lo sviluppo di prodotto

L’azienda deve produrre qualcosa che possa avere mercato; qualunque tipo di prodotto ha un proprio ciclo vita: prima una fase di sviluppo, introduzione nel mercato, se risponde alle esigenze del mercato avrà un incremento di vendite e introiti subito dopo il suo rilascio, il numero di prodotti venduti comincia a diminuire poi nel tempo fino a che non diventa obsoleto. Le aziende effettuano ricerche di mercato continue e cercano quello che potrebbe essere il prodotto più richiesto dal mercato, pensano allo sviluppo (ricerca di produttibilità), vengono poi effettuati dei test per vedere se il prodotto soddisfa le richieste (anche meccaniche/strutturali) ed infine c’è l’introduzione nel mercato.

La vita del prodotto (dall’idea al declino del prodotto stesso) è indipendente da quelle che sono le attività che svolge l’azienda per introdurlo nel mercato, è importante ridurre il time to market, il tempo che passa dall’idea iniziale all’introduzione nel mercato, in tal modo si comincia a guadagnare prima senza rischiare che altri entrino nel mercato “vergine” prima di noi.

Punto di pareggio: i ricavi ottenuti da un prodotto pareggiano le sue spese. Più è corto il TTM (time to market) maggiore sarà la probabilità di avere guadagni maggiori alla fine del ciclo vita di un prodotto. Da anni, le nuove industrie tirano a ridurre al minimo il tempo necessario all’introduzione del prodotto, più veloci siamo magari minori saranno le possibilità che qualcuno ci rubi i clienti. Sul costo di prodotto pesano diversi aspetti: costi di design, materiali, forza lavoro, e “altri”, valori che cambiano in base al prodotto; il grafico blu e azzurro riferisce a manufatti meccanici, in quanto saranno il nostro oggetto di maggior interesse.

Le tecnologie sviluppate ultimamente investono di più nella fase iniziale del ciclo di vita di un prodotto, per far ciò, quello che è stato fatto è stato cambiare l’approccio alla progettazione. Il vecchio tipo di progettazione presentava in linea di massima questi aspetti: c’era una prima fase di design da parte dei progettisti, seguita da verifiche di funzionamento del sistema, veniva realizzato un primo prototipo e su esso venivano fatti test sperimentali dai quali si evidenziavano le criticità. A questo punto era necessario un redesign e numerose altre prove, questa ridondanza causava un enorme spreco di tempo e risorse.

Concurrent engineering

Attualmente nella fase di design vengono a collaborare tutti; viene presa in considerazione la lavorabilità dei componenti e vengono evidenziati subito i problemi che potrebbero venire fuori dopo la produzione. Questa implementazione riduce sensibilmente il TTM. Altri dettagli sono la simulazione a tavolino dei processi di produzione e assemblaggio e la stima completa di quelli che saranno poi i costi e i volumi di produzione.

L’obiettivo era ridurre al minimo i test sperimentali in quanto hanno costi e tempi ben più lunghi rispetto a quelli di cui necessitano strumenti di simulazione che permettono allo stesso tempo di testare la lavorabilità di un componente oltre che al suo funzionamento. La simulazione, se ben condotta (modello validato, ossia rappresentante la realtà) permette in fase simulativa di rappresentare quella che sarà la forma finale del nostro componente (al massimo in un solo giorno). Eventualmente possiamo andar a modificare la forma dello stampo fino a che non va bene (con le giuste tolleranze) per poi fare lo stampo che ci permetterà di dare il via alla produzione.

In generale, noi dovremo tenere in considerazione quattro aspetti in contrasto fra di loro: in particolare, quelli che influenzano maggiormente geometria e processi produttivi di un prodotto sono: costi, tempo di produzione, qualità e flessibilità di produzione (capacità di apportare modifiche sul prodotto senza dover sconvolgere la sua produzione e il costo di prodotto); per fare un esempio di conflitto fra due di questi aspetti vediamo il grafico che lega costo relativo di prodotto e tolleranze di lavorazione: è un grafico esponenziale, al diminuire del valore di tolleranza richiesto il costo relativo cresce esponenzialmente. Un’altra relazione che esemplifica bene questi rapporti è quella fra tempo di produzione e finitura superficiale, questi due aspetti sono correlati e cambiano in base al processo che andiamo ad utilizzare.

Ogni componente può esser realizzato con molteplici processi produttivi, noi dovremo scegliere quello che presenta il miglior compromesso fra tutti questi 4 aspetti. Esempio: grafico nervatura, in base allo spessore h (a destra in millimetri) il grafico ci dice per ogni lavorazione quale sarà la lunghezza minima per w, si vede anche che determinati processi non sono proprio applicabili per determinati valori di spessore della nervatura in quanto tracciando l’orizzontale in corrispondenza della mia h io non incontro alcuna curva che indica la lavorazione.

Ci deve esser comunicazione fra progettisti e addetti alla produzione in modo che i progettisti cerchino di adattare al massimo i progetti a lavorazioni già presenti in azienda in modo da ridurre costi (evitando di dover sopperire a costi d’impianto) e tempi, è bene addirittura che i responsabili della produzione pongano vincoli al progettista sul processo da usare.

Design for x

X è la variabile che viene presa in considerazione nella fase di sviluppo del prodotto: spesso sono delle regole di buon senso che se prese in considerazione dall’inizio consentono di migliorare il design del prodotto e la sua realizzazione in toto. Design for manufacturing, design for assembly, tengono conto delle difficoltà che si possono incontrare nella produzione (manufacturing) e nell’assemblaggio (assembly) di un prodotto.

Ad esempio, una staffa a L con spigolo vivo io la posso realizzare solamente con pochi processi (es. asportazione truciolo), se la stessa staffa la vado a realizzare con un raggio di raccordo (che deve essere maggiore di una certa soglia) succede che quella staffa io la posso realizzare più facilmente, più velocemente e con costi più bassi. È bene che il progettista scelga caratteristiche di prodotto che permettano un’ampia gamma di processi produttivi.

È importante anche che i progettisti adottino geometrie che permettano di non avere problemi in fase di assemblaggio, ciò fa sì che si risparmino soldi e tempo. Un esempio è il bicchiere in cui devo far entrare una molla; se realizzerò il bicchiere con la presenza dello spigolo vivo sarà più facile che l’assemblatore perda tempo in fase di assemblaggio perché magari la molla si blocca in corrispondenza dello spigolo vivo. Ciò non succederebbe se io realizzassi tale bicchiere con una parete liscia che faccia sì che per gravità la molla si incunei più facilmente nel bicchiere. Tendenzialmente la linea di pensiero è quella di ridurre il più possibile i componenti necessari a realizzare un progetto in modo che ci siano meno occasioni in cui viene perso tempo.

Manufacturing e Assembly vengono applicate in contemporanea e si stima riducano del 40% il tempo di sviluppo rispetto al processo classico.

Design for Disassembly è importante per riciclare i materiali. Oltre a essere semplice da assemblare, il prodotto finito deve essere facile da smontare, in particolare i componenti che devono essere disassemblati per il riciclo e lo smaltimento. Design for Sustainability è importante per cercare di usare del materiale riciclato laddove non ha funzioni strutturali, ma può essere usato. La condizione ottimale è la seguente: benefici derivanti dal riciclo sono maggiori dei costi che sosteniamo per farlo.

Corretto sviluppo di un prodotto

Per il corretto sviluppo di un prodotto è fondamentale tenere in considerazione tutti gli aspetti della produzione (manufacturing, gestione aziendale, gestione del processo produttivo, alcuni processi hanno supply chain più complesse per esempio). Come fare a collaborare per la realizzazione di un prodotto? Utilizzando un database comune da cui ciascuno può prendere le informazioni che servono alla sua parte del lavoro e apportare modifiche in modo che tutti gli altri collaboratori vengano informati. L’info base è tenuta nel database sotto forma di un modello CAD del componente che vogliamo realizzare. Rispetto al passato, dove l’info base era costituita dalla rappresentazione su carta del componente, in questo modo è molto più facile e veloce apportare modifiche.

CAD viene utilizzato anche dagli strumenti di simulazione usati in azienda per andare a verificare determinati aspetti. CAM serve a scegliere e definire i parametri di processo in base alle esigenze, CAPP serve alla pianificazione della produzione. CAD riassume in sé diversi aspetti, non ha solo la geometria 3d del componente: permette anche verifiche strutturali, verifiche dell’aspetto esteriore, simula i processi di asportazione di truciolo, simula gli errori dovuti alle lavorazioni, può simulare l’assemblaggio di un prodotto e può riprodurre dei cinematismi. Ciascun operatore può prendere solamente le info che gli interessano.

CAD è un modello parametrico, ossia è facile e rapido modificare la geometria della rappresentazione 3d in base alle esigenze; possiamo inserire feature ossia degli elementi a cui sono associati geometrie e informazioni aggiuntive per es. gli elementi filettati, nel disegno meccanico la filettatura non viene rappresentata, CAD invece associa autonomamente ad ogni foro il tipo di filettatura corrispondente (passo, tipo di vite ecc.), tali informazioni si trovano andando semplicemente a cliccare sulle info associate al foro. La tendenza della nuova industria è centralizzare sempre di più la gestione, sia di controllo delle singole celle operative, sia dell’intero processo di produzione.

Molte azioni di assemblaggio ormai possono esser fatte tranquillamente da robot spesso antropomorfi. La tendenza è l’automazione che permette di lavorare anche 24/24; in tale ottica le persone fisiche diventerebbero una sorta di manutentori e supervisori del progetto.

Tolleranza e rugosità

Tutto parte da dimensione e forma che voglio realizzare, è importante capire le quote, cosa vogliono dire le tolleranze e le rugosità sul disegno. Noi oltre alla forma dobbiamo garantire la produzione dei componenti con una certa precisione e accuratezza. Tolleranze sono associate sia alle dimensioni che alle forme dei componenti. Sul disegno noi troveremo il numero minimo di controllo e regolazione.