Appunti Studio del prodotto e del processo

Studio del prodotto e del processo

Introduzione al DFM

Il Design for Manufacturing (DFM) nasce da un approccio più generale che è quello del DFX (design for x, con x un criterio di qualità). La più comune di queste metodologie è proprio la progettazione per la fabbricazione, che ha un’importanza universale, dato che affronta direttamente i costi di produzione. Il costo è ovviamente uno dei parametri fondamentali per il successo di un prodotto; perciò, la progettazione per garantire tale successo economico deve assicurare alta qualità del prodotto e minimizzare i costi di produzione.

Tale approccio nasce intorno agli anni '80, periodo nel quale si è dovuto ripensare il prodotto in ottica di un miglioramento di qualità per via della forte concorrenza. Lasciandosi alle spalle l’approccio chiamato “Over the wall”, dove non c’era uno scambio di informazioni bidirezionali tra il reparto progettazione e quello di produzione, il tecnologo era bloccato dalle decisioni prese dal progettista, il quale non conosceva i limiti della progettazione.

Con l’avvento del DFM, invece, si è cambiato paradigma, creando una squadra multifunzionale, che abbia competenze trasversali:

• Comprendere il progetto e le esigenze funzionali.
• Saper sviluppare alternative progettuali.
• Conoscere i processi di fabbricazione ed assemblaggio disponibili in azienda.
• Saper stimare i tempi e i costi della produzione e del ramp-up (avvio della produzione e tutto il tempo necessario per arrivare a regime).
• Squadra formata da progettisti, tecnologi, esperti marketing, esperti tempi e metodi, ecc.

Perciò il DFM risulta un processo iterativo, che vede la collaborazione dei tre principali reparti: Marketing, Progettazione e Produzione, che si alternano per tutto il ciclo di vita del prodotto. Uno degli strumenti necessari nel processo DFM è la distinta base, ovvero la lista di tutti i componenti che compongono il prodotto, ordinata in base alla sequenza di montaggio, ai quali attribuirò i relativi costi. Questa è il punto di partenza per la reingegnerizzazione di un prodotto che ha l’obiettivo di ridurne il costo (posso fare una reingegnerizzazione di un prodotto che ho già in azienda oppure fare benchmarking, ovvero copiare dal migliore della classe).

Ovviamente è necessario specificare che il metodo DFM è adatto alla progettazione di prodotti di largo consumo, altrimenti per pochi pezzi non rientro dei costi reingegnerizzazione.

Il metodo DFM si basa su cinque passi essenziali:

• Stima dei costi di produzione: In questa fase è necessario conoscere quali siano gli elementi in ingresso al sistema produttivo, come materie prime, componenti acquistati, energia e attrezzature, e quali siano gli elementi in uscita, che sono il prodotto finito e gli scarti. I costi di produzione sono la somma di tutte le spese in ingresso al sistema e per lo smaltimento degli scarti.
• È possibile suddividere gli elementi del costo di produzione unitario (ovvero rapporto tra i costi totali di produzione in un certo periodo per il numero di unità prodotte) in categorie:
  • Costo dei componenti: possono essere sia componenti standard che custom. I componenti standard sono quelle parti che vengono comprate all’esterno dell’azienda, e la stima del costo si fa attraverso preventivi dei fornitori e dei venditori. Risulta molto più conveniente comprare questi componenti all’esterno perché il prezzo è fissato dal mercato e perché le aziende che li producono hanno un'economia di scala molto più ampia. Talvolta è possibile richiedere delle modifiche al fornitore (non troppe altrimenti il prezzo lievita).
  • I componenti custom sono componenti che realizzo in azienda, e perciò è necessario valutare i costi, sommando il costo della materia prima, del processo di lavorazione e degli utensili (oltre ad i costi di ispezione eventuali). I costi della materia prima possono essere valutati calcolando la massa del pezzo e tenendo conto degli sfridi. I costi del processo di lavorazione includono il costo degli operatori e dell’utilizzo dell’attrezzatura. Poi è necessario includere i costi di primo impianto. Per determinare tutti questi costi bisogna avere definito un piano industriale, e nel caso ciò non fosse possibile si usano gli attivatori di costo, che permettono di capire quali sono i costi in base ai parametri del prodotto più influenti (per similitudine con altri componenti di cui conosciamo il costo).
• Costo dell’assemblaggio: Tale costo è legato al numero di pezzi da produrre, alla complessità del processo e alle tecnologie utilizzate. Questi vengono valutati in base al tempo necessario per realizzare l’operazione. Anche in questo caso si suddivide l’oggetto in componenti e si valuta il tempo impiegato a montare ciascuno. I tempi di assemblaggio si dividono in tempi di manipolazione, ovvero quelli necessari a portare il pezzo alla postazione di lavoro e in tempi di inserzione, ovvero quelli necessari ad inserire l’oggetto. I costi di assemblaggio sono legati principalmente dai tempi.
• Costi generali: Racchiudono tutti gli altri costi che la struttura sostiene a prescindere dalla produzione (affitto capannone, ufficio acquisti, ufficio marketing, riscaldamento, pulizia, ecc.). Purtroppo, la stima di questi costi è piuttosto difficoltosa, perciò anche in questo caso si usano gli attivatori di costo, scelti in base all’esperienza e ridefiniti di anno in anno. Per ripartirli su ogni prodotto posso trovare periodicamente il rapporto tra costi diretti e costi generali, oppure posso dividere i costi generali in famiglie, solitamente materiale e manodopera, e usare gli attivatori come coefficienti moltiplicativi.
• Riduzione costo componenti: Di solito il costo dei singoli componenti è elevato a causa della mancata valutazione dei costi del componente da parte del progettista: infatti, la prima azione necessaria è quella di definire quali siano i parametri corretti del disegno per rendere il prodotto finale producibile ad un costo più basso (ridurre le tolleranze, i raccordi, ecc.).

Segue che, uno dei modi migliori per ridurre i costi dei componenti singoli è quello di eliminare le fasi dal processo produttivo, distinguendo tra processi primari, ovvero quelli responsabili della forma del pezzo e quelli secondari, ovvero quelli che danno finitura al pezzo e che sono i più costosi. Si tende quindi a scegliere un approccio Net Shape (o Near Net Shape), grazie al quale si può produrre una parte con la geometria finale richiesta in unica fase. I progettisti sono in grado di usare uno dei processi net shape per creare una parte che sia molto vicina ai requisiti richiesti e può richiedere solo pochi processi secondari.

Un altro modo per ridurre i costi è quello di scegliere la giusta scala economica. Mi spiego meglio; il prezzo di fabbricazione di solito diminuisce all’aumentare del volume di produzione, a causa di un fenomeno chiamato economia di scala. Infatti, all’aumentare del volume, i costi fissi possono essere divisi fra più unità e i costi variabili si abbassano perché azienda può giustificare l’uso di più complessi ed efficienti processi e attrezzature. Per la produzione di pochi pezzi sono adatti processi con costi fissi bassi e costi variabili elevati, mentre per le grandi produzioni il contrario.

Il principio di economia di scala si applica anche alla selezione dei componenti e dei processi produttivi. All’aumentare del volume produttivo diminuisce il costo unitario e solitamente qualità e prestazioni aumentano, poiché il produttore può investire nello studio e nel miglioramento del progetto. In quest’ottica, l’uso di componenti standardizzati consente di acquisire i vantaggi di volumi produttivi ampi. Si definiscono componenti standard quelli comuni a più di un prodotto: segue che la standardizzazione può avvenire all’interno della singola ditta, o anche dello stesso modello, oppure tra linee di produzione di diverse ditte. In quest’ottica si usa il metodo Black Box per quanto riguarda i componenti standard, ovvero vengono forniti al fornitore solo una descrizione essenziale delle specifiche di progetto, lasciando al venditore la possibilità di scelta del miglior processo produttivo. È quindi importantissimo che vengano definite solo le specifiche ritenute essenziali.

Riduzione dei costi di assemblaggio: La progettazione dell’assemblaggio DFA è un sottoassieme del DFM, che riguarda la minimizzazione dei costi di assemblaggio. La riduzione di questi costi passa principalmente per la:

• Riduzione del numero di parti da assemblare.
• Semplificazione del ciclo di assemblaggio.

Si noti che riducendo il numero di componenti si hanno vantaggi anche dal punto di vista di ciclo produttivo, che diventa più snello e meno sensibile agli errori, oltre che alla riduzione del costo di produzione. Infatti, fare un solo oggetto più complesso è più economico che farne due più semplici, ovvero è più conveniente fare integrazione che produrre parti separate.

Una valutazione per stabilire se le parti possono essere integrate è costituita dalle seguenti tre domande:

• La parte deve poter effettuare dei movimenti relativi rispetto al resto dell’assemblato? Piccoli movimenti legati all’elasticità del materiale, giunti elastici o molle, non contano.
• La parte deve essere realizzata in un materiale diverso dal resto dell’assemblato?
• La parte deve essere separata dal resto dell’assemblato per poter cedere (fusibile meccanico), essere riparata o sostituita?

Se tutte e tre le risposte sono negative la parte può essere integrata all’interno dell’assemblato. Nei processi di fusione ed iniezione è solitamente facile integrare le parti, ottenendo un oggetto multifunzionale più complesso dell’originale. I vantaggi di questa mossa sono che il montaggio non è più necessario, le parti sono meno costose anche se più complesse e il controllo dimensionale è più preciso senza il problema dell’assemblaggio. Tuttavia, non sempre l’integrazione è la strada da seguire (esempio molletta da bucato di legno di piccole produzioni).

Linee guida per semplificare l’assemblaggio:

• La parte è inserita dall’alto: Questo permette di non dover sostenere il pezzo durante il montaggio, rendendolo più stabile e inoltre il pezzo non deve essere mai capovolto. Inoltre, tale modalità di inserimento predispone anche all’utilizzo di robot (SCARA).
• La parte è autoallineante: Soprattutto per quelle parti che richiedono un accurato posizionamento per essere assemblate e che necessitano di movimenti lenti e precisi, sia le sedi che i pezzi, dovrebbero essere progettati in modo che si garantisca la stabilità e la facilità di inserimento (ad esempio una svasatura).
• La parte non deve essere orientata: Si cerca di ridurre al minimo il numero di assi di orientamento.
• Le parti devono essere accessibili: Sia da un punto di vista di accessibilità con mani ed utensili, ma anche accessibilità visiva.
• La parte deve poter essere montata con una mano sola: Infatti, a parità di caratteristiche, le parti che possono essere montate con una sola mano richiedono meno tempo di quelle che richiedono sue mani, che a loro volta richiedono meno sforzo di quelle che usano un sistema di sollevamento. Ovviamente non tutto deve essere montabile con una mano ma è una filosofia. Infatti, così riduco la massa del componente e le su dimensioni, diventando più facile da afferrare e gestire.
• La parte non deve necessitare di utensili: L’uso di utensili comporta un allungamento di tempi dato che deve movimentarli. Se non si possono evitare si cerca di usare sempre lo stesso utensile.
• La parte è assemblata con un unico movimento lineare: Infatti l’uomo è più bravo a posizionare oggetti nello spazio x,y,z e meno ruotandolo.
• La parte si blocca automaticamente dopo essere stata inserita: Ad esempio usando snap-fit (in più il collegamento snap-fit è il più economico, e anche quello che regge meno).
• Evitare il tangling e il nesting: Che sono soluzioni che permettono di reperire il componente da assemblare più facilmente, con soluzioni che permettono di aggrovigliarsi (ad esempio una molla di una penna a sfera nello scatolone).
• Difficoltà dell’afferraggio: Oggetti troppo piccoli, flessibili, taglienti o scivolosi a causa della geometria sono difficili da manipolare.
• Oggetto simmetrico: Al fine di evitare troppe manipolazioni.

Una volta tenuto conto di questi accorgimenti si può verificare l’efficacia della reingegnerizzazione usando l’efficienza di assemblaggio, o indice DFA, calcolabile come:

Come si nota questo è un rapporto tra il tempo minimo di assemblaggio, che quindi prevede già una reingegnerizzazione, in quanto è necessario indicare il numero minimo di parti, e la prestazione effettiva. Si indica con 3 secondi il tempo minimo teorico richiesto per manipolare una parte per essere assemblata (valore medio). Con questo parametro è possibile verificare quali siano le parti critiche del componente.

Riduzione dei costi di supporto alla produzione: Questi vengono ridotti anche dai passi precedenti, però esistono delle azioni dedicate:

• Riduzione della complessità del sistema produttivo.
• Riduzione delle possibilità di errore.

Verifica: Una volta effettuati tutti questi passi, il processo è iterativo, ovvero si valuta l’impatto che tali soluzioni hanno portato al prodotto, se sono riuscito a ridurre il numero di cicli, se la funzionalità è preservata, se la qualità è peggiorata, ecc.

Snap-Fit

Poiché sono stati introdotti in precedenza, mentre parlavamo di come migliorare l’assemblaggio di un componente, mi sembra rilevante fare un breve excursus sugli Snap-Fit. Questi sono utilizzati comunemente come metodo di assemblaggio per stampati ad iniezione, e permettono di eliminare viti, clip, adesivi e altri metodi di giunzione, senza l’aggiunta di parti ulteriori, in quanto sono integrati nel prodotto stesso. Possono avere molteplici funzioni, come essere usati in prodotti che devono essere montati e smontati più volte o in modo permanente.

Ovviamente necessitano di una progettazione un po’ più difficoltosa di altri metodi di giunzione; tuttavia, quello che si risparmia in fase di assemblaggi ripaga il costo di stampi complicati dall’inserimento di snap-fit nel componente.

Esistono tre tipologie di snap-fit:

• Snap-fit anulare: Dato che durante l’assemblaggio vengono causate forti deformazioni, vengono usati materiali che hanno una grande campo plastico.
• Snap-fit a cantilever: Sono quelli più utilizzati, come vediamo dalla figura ne esistono diverse tipologie. Infatti, esistono snap-fit che sono monodirezionali, quindi una delle superfici è inclinata, e snap-fit bidirezionali, in cui entrambe le superfici sono inclinate. Oppure abbiamo cantilever di sicurezza, che permettono il disingaggio con una forza direzionale, oppure quelli ad U (come quelli per i telecomandi). La forza necessaria per smontaggio e montaggio dipende dallo spessore, da fattori meccanici e dall’angolo di inclinazione. Ovviamente hanno una vita limitata, soprattutto quelli che si possono sia montare che smontare.
• Snap-fit torsionali

Gli snap-fit mantengono una buona tenuta solo se precaricati, ovvero l’attrito blocca l’apertura del collegamento. Per raggiungere questo obiettivo sono necessarie tolleranze molto strette. Soprattutto i cantilever sono molto utilizzati anche perché non complicano molto lo stampo. Infatti, essendo fatti di plastica, grazie alla sua elevata flessibilità a caldo, non ha problemi ad essere estratta dallo stampo, subendo una leggera deformazione in campo plastico. Nel caso si abbia a che fare con oggetti non bidirezionali, bisogna ricorrere ad altre soluzioni, come ad esempio un lifter che è un componente che serve a disingaggiare lo snap-fit durante l’espulsione dallo stampo (aumentando il costo dello stampo).

Una soluzione elegante per eliminare il lifter è quella di porre una piccola finestra alla base dello snap-fit, la quale elimina il sottosquadro provocato dal gancio. Ovviamente questa soluzione può essere usata dove non risulta esteticamente ingombrante.

Esercizi

Esercizio costi prodotto:

Prendiamo come esercizio la reingegnerizzazione del collettore di aspirazione prodotto dalla GM. In alto possiamo vedere il vecchio collettore, realizzato in alluminio, quindi presumibilmente con un processo di pressofusione, che prevede costi fissi alti, ma facilmente ammortabili con un grande volume. Sotto, invece, vediamo il nuovo pezzo, realizzato in un composito in termoplastica con un processo di stampaggio. Entrambi richiedono successivamente lavorazione per asportazione per le zone di contatto con altri componenti e per la realizzazione delle filettature.