Riassunto esame Tecnologie e Strutture, Prof. Armillotta Antonio, libro consigliato Produzione per il design industriale, Armillotta Antonio

Tecnologie di produzione

Design e produzione

La produzione industriale è il complesso delle attività che trasformano risorse naturali in prodotti. La tecnologia si può definire come l'applicazione della scienza alla realizzazione di beni e servizi. Mettendo insieme i due concetti, la tecnologia di produzione è la conoscenza sviluppata dall'industria su come produrre bene, rapidamente e a costi ragionevoli. La produzione ottiene un output da tre tipi di input: risorse naturali, manodopera e capitale. Spesso si cita anche un quarto input, la tecnologia, che è la capacità di mettere insieme gli altri tre fattori per realizzare il prodotto.

Il prodotto sarà realizzato da un processo di produzione. Un processo è un insieme di attività tecniche per ottenere un risultato. Richiede un sistema di produzione, cioè un insieme di risorse necessarie a produrre qualcosa. Il sistema comprenderà macchine (pressa), attrezzature (stampo), materiali, manodopera, ecc. Il prodotto risultante dovrà essere privo di difetti e avere un costo ragionevole. I difetti derivano generalmente dal processo, che potrebbe avere limiti tecnici o essere inadatto ad alcune specifiche del prodotto. Il costo di produzione è il costo del sistema, cioè il prezzo da pagare per usare le risorse. Le macchine sono pagate per tempo di utilizzo, le attrezzature invece viene pagata a pezzo e quindi si pagano tanto più quanto minore è la quantità prodotta.

Processi di produzione

La produzione di un prodotto parte dai materiali, che sono lavorati in modo da ottenere componenti; questi sono poi collegati ad altri componenti tramite assemblaggio in modo da ottenere sottogruppi. Assemblando poi i sottogruppi si ottiene l'assieme finale. La struttura del prodotto corrisponde alla struttura del ciclo produttivo, che si conclude con finiture e collaudi. La complessità del ciclo produttivo dipende dal numero dei componenti del prodotto.

Una macchina fornisce la potenza, cioè la forza e la velocità di movimento. Un'attrezzatura, generalmente installata sulla macchina, rende quest'ultima capace di lavorare componenti diversi. Una stessa macchina può lavorare prodotti diversi, ma per farlo ha bisogno di un'attrezzatura diversa per ogni prodotto. La distinzione tra macchine e attrezzature è strettamente legata a una variabile fondamentale nella produzione industriale: il volume di produzione. Molte scelte progettuali dipendono dalla conoscenza almeno approssimativa del volume di produzione previsto.

Nel campo della produzione in serie i volumi di produzione sono di almeno decine di migliaia. La capacità delle aziende manifatturiere di investire nell'attività progettuale aumenta con il fatturato dell'azienda, che è dato dal prezzo di vendita moltiplicato per il volume di produzione.

Produzione in serie

Il processo industriale è più adatto a grandi volumi di produzione, meno costoso del processo artigianale quando i volumi di produzione sono alti perché i costi della manodopera e delle macchine sono più bassi grazie al minore tempo di utilizzo. È invece molto più costoso di quello artigianale per piccoli volumi di produzione perché il costo dello stampo è suddiviso su poche unità. Questo rende il processo industriale impraticabile per bassi volumi di produzione.

Il materiale incide sul costo di produzione soprattutto su grandi volumi di produzione, mentre su piccoli volumi incide pochissimo in confronto alla manodopera. Oltre ad avere un tempo di ciclo breve un processo adatto alla produzione in serie deve garantire un uso efficiente del materiale, per ridurre al minimo lo sfrido. Inoltre deve avere un'altra precisione, in modo da ridurre al minimo lo scarto. Infine, un processo per la produzione in serie renderà difficile modificare il prodotto durante il suo ciclo di vita, perché questa eventualità comporterebbe la sostituzione o una profonda rilavorazione della attrezzature (costi elevati).

Soluzioni per la produzione in serie

Molti processi usano stampi, che consentono di ottenere forma e dimensioni desiderate in un tempo molto breve. Per lavorare più parti uguali nello stesso ciclo è possibile utilizzare stampi a impronte multiple. All'aumentare del volume di produzione si preferisce applicare il principio di suddivisione del lavoro: le singole operazioni vengono svolte da diversi operai, risultando in un aumento notevole della quantità prodotta. Il vero vantaggio è che un operaio specializzato in un'operazione può imparare a svolgerla sempre più velocemente e con minore rischio di sbagliare. Un operaio può utilizzare ausili meccanici che non devono essere replicati nelle altre stazioni, con una riduzione del costo complessivo del sistema. Infine, il lavoro in una singola stazione può essere così semplice da poter essere automatizzato, con un ulteriore aumento di produttività.

Altro fattore di incremento della produttività è l'automazione dei processi. Automatizzare un'operazione riduce il tempo necessario per eseguirla e migliora la precisione. Un altro vantaggio è la possibilità di lavorare in modo continuativo senza pause e senza interruzioni notturne. Tuttavia, un sistema automatico ha maggiori difficoltà nell'eseguire operazioni complesse, variabili nel tempo o tali da richiedere un controllo visivo. Queste limitazioni possono essere superate dall'evoluzione tecnica delle soluzioni di automazione.

Lavorazione delle plastiche

Caratteristiche delle plastiche sono la bassa densità, la scarsa conducibilità termica ed elettrica, la deformabilità, e la disponibilità di molti tipi diversi per costo e proprietà. Le plastiche possono essere lavorate con vari processi, che presentano degli aspetti in comune:

• La facilità di ottenere forme complesse
• La ridotta necessità di lavorazioni secondarie o trattamenti superficiali di finitura
• Il costo limitato su volumi di produzione medio grandi (a causa delle necessità di attrezzaggio)

I processi sono differenti a seconda dell'uso di termoplastici o termoindurenti.

Termoplastici

Sono solidi a temperatura ambiente, resi liquidi mediante riscaldamento in modo da poter essere modellati per mezzo di stampi. Successivamente sono raffreddati riacquistando la loro consistenza solida. Sono più facilmente riciclabili. La maggior parte delle applicazioni sfruttano la facilità di lavorazione dei termoplastici. Polietilene (PE), polipropilene (PP), polistirene (PS), polivinile cloruro (PVC), polietilene e polibutilene tereftalato (PET, PBT, detti anche poliesteri), acetato di cellulosa (CA), polimetil metacrilato (PMMA), policarbonato (PC), acrilonitrile butadiene stirene (ABS), poliammide (PA), poliossimetilene (POM), polifenilene ossido (PPO), politetrafluoroetilene (PTFE).

Termoindurenti

Sono inizialmente liquidi o solidi poco rigidi, e sono riscaldati in presenza di catalizzatori in modo da subire indurimento. Sono da preferire per alcune applicazioni strutturali o tecniche. Poliestere insaturo (UP), resine fenoliche (PF), melamminiche (MF), ureiche (UF), epossidiche (EP).

Elastomeri

Categoria a parte è costituita dagli elastomeri, plastiche con particolare deformabilità elastica.

Elastomeri reticolati

Hanno un comportamento chimico simile ai termoindurenti. Gomme nitriliche (NBR), stireniche (SBR) e poliuretaniche (PUR), silicone.

Elastomeri termoplastici

Etilene vinile acetato (EVA), elastomeri poliolefinici (TPO) a base etilenica (EPDM) e stirenica (SBS), poliuretano termoplastico (TPU).

Stampaggio a iniezione

Permette di produrre componenti in plastica di forma complessa ed elevata quantità a basso costo (per grandi volumi di produzione) ed in tempi brevi. Circa 1/4 della plastica a livello mondiale è trattata con questo processo.

Processo

La maggior parte delle applicazioni riguarda i termoplastici. Il materiale di partenza è costituito da granuli (pellet) di forma cilindrica e dimensioni di 3-4 mm. I granuli sono introdotti in una tramoggia di alimentazione, che comunica con un cilindro di plastificazione. Questo è in grado di riscaldare i granuli mediante fasce riscaldanti costituite da resistenze elettriche. Ad alta temperatura il materiale plastifica ed è in grado di scorrere come un liquido molto viscoso.

Il cilindro contiene una vite punzonante, il cui diametro aumenta nella parte anteriore in modo da eliminare tutta l'aria, che può ruotare e traslare:

• La rotazione rimescola il materiale parzialmente fuso e lo sposta verso la testa del cilindro, che è in comunicazione con uno stampo metallico;
• La traslazione sposta nello stampo il materiale ormai completamente fuso.

Questa operazione di iniezione avviene ad alta pressione, in modo da permettere al materiale di scorrere attraverso un passaggio stretto, l'ugello di iniezione e di riempire l'impronta riproducendo tutti i dettagli geometrici. Nello stampo, raffreddato mediante circolazione di acqua, il materiale solidifica.

Il processo è svolto automaticamente da una pressa per iniezione, composta dal gruppo di chiusura, in cui viene installato lo stampo per iniezione, e dal gruppo di iniezione, che comprende la tramoggia, il cilindro, i motori per la rototraslazione della vita, e una valvola anti-ritorno che, situata nella parte finale della vite, impedisce il reflusso del materiale in pressione dallo stampo al cilindro. I motori e gli attuatori possono essere di due tipi diversi: oleodinamici ed elettrici. Le presse elettriche hanno maggiore precisione nella regolazione delle forze della velocità di movimento. Un operatore può essere impiegato per caricare i granuli nella tramoggia, per scaricare i pezzi accumulati in uscita dalla macchina, e per la supervisione della macchina: tutte queste funzioni possono essere automatizzate.

Ciclo di stampaggio

1. Chiusura dello stampo: Il meccanismo di chiusura sposta la parte mobile dello stampo spingendola contro la parte fissa dello stampo.
2. Iniezione: La vite trasla iniettando il materiale fuso sotto pressione nell'impronta dello stampo, attraverso l'ugello di iniezione; il meccanismo di chiusura spinge nella direzione opposta per tenere chiuso lo stampo evitandone l'apertura accidentale sotto la spinta dovuta alla pressione del materiale nell'impronta.
3. Compressione: La vite continua a spingere per mantenere una pressione elevata nell'impronta (necessaria per garantire una riproduzione fedele dei dettagli), per compensare il ritiro di solidificazione ed evitare il reflusso del fluido.
4. Alimentazione: La vite trasla lentamente all'indietro e ruota in modo da spostare il materiale nel cilindro verso l'ugello di iniezione, pronta per iniziare un nuovo ciclo. Questa operazione si svolge durante il raffreddamento del materiale nell'impronta che avviene grazie ai canali di raffreddamento in cui circola acqua fredda.
5. Apertura dello stampo ed espulsione: Una volta completato il raffreddamento del materiale, il meccanismo di chiusura apre lo stampo e, per mezzo di perni espulsori, spinge lo stampato fuori dall'impronta. Possono essere presenti anche degli scivoli che permettono la raccolta degli stampati in contenitori. Lo stampato è attaccato ad una materozza, cioè il materiale solidificato nell'ugello di iniezione, che poi viene tagliato. Molti stampi sono fatti in modo da evitare la presenza della materozza prolungando la vite all'interno dell'ugello di iniezione o riscaldando il materiale nell'ugello in modo da evitarne la solidificazione.

Quando i volumi di produzione sono particolarmente alti (centinaia di migliaia di unità), lo stampo può avere impronte multiple: in questo caso lo stampato comprende i pezzi prodotti nello stesso ciclo, l'eventuale materozza e il materiale solidificato nei canali di comunicazione. Questo sfrido può essere automaticamente separato dai pezzi con particolari accorgimenti nel disegno dei canali di iniezione. Il materiale deve essere iniettato sotto pressione per garantire una riproduzione fedele della geometria e della finitura dell'impronta dello stampo; per ottenere questo risultato serve in generale una pressione nell'impronta intorno a 50 MPa. La pressione nel cilindro deve essere circa il doppio di quella nell'impronta per permettere al flusso viscoso di attraversare l'ugello e canali di iniezione, nei quali avviene una perdita di pressione. Questi devono avere una sezione stretta per limitare lo sfrido.

La pressione utilizzata crea la necessità di una forza di chiusura per evitare l'apertura accidentale dello stampo. Questa forza si ottiene moltiplicando la pressione nell'impronta per l'area proiettata dello stampato (F=P*A). Stampati più grandi richiedono quindi presse di maggiore tonnellaggio, cioè in grado di esercitare forze di chiusura maggiori ma anche costi orari molto diversi. Il tonnellaggio massimo che solitamente le presse raggiungono è di 5.000 kN, di più è difficile trovarne sul mercato. Di conseguenza esiste un limite alle dimensioni degli stampati.

Materiali e applicazioni

Oltre il 90% delle applicazioni riguarda i termoplastici, che possono essere suddivisi in quattro categorie principali dal punto di vista della facilità di stampaggio:

• Di base, facili da stampare: temperature e pressioni relativamente basse (max 250° e 100 MPa), e costi più bassi;
• Tecnici, stampabili in condizioni medie: temperature e pressioni più alte (250-300° e 100-150 MPa), costi intermedi, particolari proprietà meccaniche, chimiche, termiche o estetiche;
• Ad alte prestazioni, difficili da stampare: temperature e pressioni elevate (oltre 300° e 150 MPa), costo elevato, eccezionali, proprietà meccaniche e termiche;
• Non stampabili: troppo viscosi per fluire nel gruppo di iniezione, sono quindi lavorati per estrusione (PTFE, PHB); il PVC è lavorato soprattutto per estrusione, ma è stampabile a iniezione anche se tende al degrado chimico nel caso di lunghe permanenze ad alta temperatura.

Alcuni termoindurenti (PF, MF, UF, EP) sono largamente usati nello stampaggio a iniezione, mentre altri (UP, PUR) non sono adatti al processo. Molti elastomeri possono essere stampati, sia tra i reticolati (NBR, SBR, silicone) sia tra i termoplastici (EPDM, SBS, EVA, TPU). Inoltre alcuni materiali possono essere stampati anche se espansi o caricati con fibre, che devono essere corte altrimenti danneggiano gli stampi. La percentuale di fibra va dal 15-20 al 50%.

Lo stampaggio dei termoindurenti richiede uno stampo riscaldato anziché raffreddato. Il materiale è introdotto nel cilindro sotto forma di una miscela semiliquida di resina e catalizzatore (necessario per favorire la reticolazione). Il cilindro deve essere riscaldato ad una temperatura non troppo alta, per evitare che la reticolazione avvenga prematuramente: questo comporterebbe l'indurimento della resina intorno alla vite. Lo stampo viene invece riscaldato ad alta temperatura mediante la circolazione di olio caldo. Un'altra differenza riguarda la pressione, che è maggiore per i termoindurenti (fino a 200 MPa).

Dal punto di vista economico è particolarmente importante il tempo ciclo, che è notevolmente diverso tra le due classi principali di materiali. I termoplastici hanno generalmente tempi ciclo tra 10 e 40 secondi, la maggior parte dei quali è spesa nella fase di raffreddamento. Quest'ultima ha una durata all'incirca proporzionale al quadrato dello spessore di parete. I termoindurenti hanno tempi ciclo più lunghi, generalmente intorno a 1 min, la maggior parte dei quali spesa nella fase di indurimento a causa della lentezza della reazione di reticolazione. Stampare dei termoindurenti risulta dunque più costoso.

Possibilità dello stampaggio a iniezione:

• Forma complessa, dettagli fini, cavità e sporgenze in diverse direzioni grazia alla relativa facilità di gestione dei sottosquadri;
• Spessore uniforme e piccolo (da 1 a 6 mm);
• Ampia varietà di dimensioni;
• Ottima precisione, ottima finitura superficiale e colorazioni in massa, senza necessità di trattamenti secondari;
• Volumi di produzione elevati (a partire dalle decine di migliaia di unità).

Stampi

Oltre a contenere una o più impronte per dare forma al prodotto, lo stampo per iniezione (che è molto costoso) ha varie funzioni essenziali per la corretta esecuzione del processo:

• Distribuisce il materiale fuso alle impronte attraverso un sistema di canali di iniezione;
• Permette la compressione del materiale fuso all'interno delle impronte, opponendo resistenza alla pressione di iniezione e garantendo la tenuta dell'impronta rispetto a fuoriuscite del materiale compresso;
• Resiste alle alte temperature del materiale in fase di iniezione;
• Raffredda il materiale attraverso un sistema di canali a circolazione di acqua (o olio);
• Espelle lo stampato dall'impronta attraverso perni espulsori.

Le dimensioni dello stampo sono molto maggiori rispetto a quelle dell'impronta per ragioni strutturali e termiche. I componenti a contatto con la plastica fusa sono fatti in materiali resistenti all'usura ad alta temperatura, come hot-work e acciai inossidabili. Il materiale costituisce il 20% del prezzo dello stampo. La lavorazione, che invece costituisce il restante 80% del prezzo, è lenta a causa dell'elevata durezza degli acciai. Molto più facili da lavorare sono le leghe di alluminio, che sono talvolta usate per ridurre i costi di lavorazione, ma la loro minore resistenza all'usura limita la durata dello stampo a poche decine di migliaia di cicli.

Gli stampi più semplici sono quelli a impronta singola senza sottosquadri:

• Semistampo fisso (femmina), montato su tavola fissa della pressa;
• Semistampo mobile (maschio), montato su tavola mobile della pressa.

Essi vengono a contatto attraverso un piano di apertura e mantengono un allineamento preciso grazie a colonne e bussole di guida.