Risposta alle domande in preparazione a Tecnologia meccanica

Domande tecnologia meccanica

Ciclo di realizzazione del prodotto

Un prodotto nasce dalla combinazione di idea e necessità. Molto spesso i clienti tendono ad avere dei bisogni che soddisfano solo grazie a determinati prodotti, che quindi richiedono ed ordinano. Molto spesso, la spinta viene però dalle stesse aziende, che tramite indagini o previsioni di mercato, cercano di capire e prevedere l’andamento o la richiesta di un determinato prodotto, per così produrlo prima ancora che ci sia l’ordine.

Lo sviluppo del prodotto in sé prosegue poi con una base di progettazione, generica e grossolana, definita progettazione preliminare, alla quale segue poi lo sviluppo del progetto vero e proprio del prodotto ed una progettazione dettagliata di questo. Si passa ora alla fase di pianificazione dei processi di produzione del prodotto, che possono essere scelti tra quelli già comunemente utilizzati, o progettati appositamente, magari combinando alcuni processi comuni. Segue la scelta o progettazione del sistema di produzione e la programmazione della produzione.

La fase di produzione richiede spesso accorgimenti o controlli, che avvengono nel controllo della produzione, che permettono di passare alla fabbricazione e assemblaggio del prodotto. Una volta completato il processo di fabbricazione, e verificata nuovamente, con controlli, la bontà della produzione, il prodotto lascia lo stabilimento produttivo per la prima volta, e viene spedito ed immesso sul mercato per essere utilizzato dai clienti. Spesso però, nella sua fase di vita, il prodotto subisce dei danni che rovinano il prodotto, il quale non soddisfa più il cliente, che può rivolgersi all’assistenza clienti, unica interfaccia tra cliente e azienda, la quale riprende il prodotto per verificarne lo stato, ripararlo e rimetterlo sul mercato.

La fase di riparazione riprende l’intero ciclo di realizzazione del prodotto, perché questo potrebbe richiedere interventi di riparazione che vanno pensati caso per caso. Con il passare del tempo e dell’utilizzo del prodotto, questo giunge alla condizione di fine vita, ossia questo si rompe o si rovina in tal modo da essere ormai inutilizzabile e va cambiato. L’ultima fase del ciclo di vita del prodotto è quella della deproduzione, ossia smaltimento ed eventuale, ma oramai fondamentale, riciclo dei componenti.

Produzione manifatturiera

La produzione di un prodotto riguarda l’intero insieme dei processi che permettono di trasformare i materiali di partenza in prodotti aventi valore di mercato, tramite risorse, utensili, energia e informazioni. La produzione manifatturiera, o anche “per parti”, riguarda nello specifico l’asse tecnologico di produzione, e indica un prodotto composto da un numero finito di componenti discreti, detti anche “parti”. Questi componenti, una volta assemblati, conservano la loro identità, ed è infatti possibile fare il percorso a ritroso tornando dal processo ai componenti stessi.

Il processo produttivo si divide in due fasi, la fase di fabbricazione e quella di assemblaggio. Nello specifico, la fabbricazione riguarda l’insieme delle lavorazioni, ossia dei processi e delle trasformazioni, che modificano forma, dimensioni e stato superficiale della singola parte, che viene poi immessa direttamente sul mercato, o indirettamente dopo l’assemblaggio con altre parti. L’assemblaggio appunto è l’insieme dei processi e delle operazioni di montaggio di parti per formare un assieme, che può essere indicato come sottoassemblato se utilizzato insieme ad altri componenti per formare il prodotto finale, oppure assemblato se esso stesso è il prodotto finale.

La produzione manifatturiera consente la realizzazione di un’ampia gamma di prodotti di largo consumo, come computer o automobili.

Processi fondamentali di fabbricazione nel settore meccanico

I processi fondamentali di fabbricazione nel settore meccanico si dividono in tre categorie in base al tipo di processo che viene effettuato ed il suo conseguente scopo: i processi di formatura, i processi di collegamento ed i processi di finitura. I processi di formatura, che danno la forma fondamentale di una parte, si classificano in base al tipo di lavorazione che viene effettuata per ottenere la forma richiesta dal materiale.

Consolidamento da liquido o da polveri consiste nel trasformare un materiale privo di forma, appunto liquido o polvere, grazie alla formazione di legami atomici tra gli atomi, in una parte solida con forma prossima o coincidente a quella finale. Per i metalli o una resina termoplastica si applica la solidificazione del liquido attraverso la formazione di legami atomici principalmente mediante raffreddamento; per le resine termoindurenti, liquide a temperatura ambiente, il consolidamento avviene per riscaldamento; per le polveri invece avviene attraverso sinterizzazione.

Nella pratica, nei processi di consolidamento da liquido si versa il metallo fuso, chiamato getto, contenuto nella siviera in una forma ottenuta tramite un piano di sformatura e una forma in terra, connessa all’ambiente esterno tramite un attacco di colata e un canale di colata. Nel caso di consolidamento da polveri metalliche si utilizza una matrice e due punzoni che compattano a alte pressioni e consolidano il prodotto, messo poi in un forno nel quale avviene la sinterizzazione, quindi la formazione di legami tra i vari atomi. Queste parti presentano una porosità maggiore rispetto a parti solidificate, diminuendo la resistenza ma aumentando i vantaggi in determinate applicazioni, come i cuscinetti striscianti.

Le lavorazioni per deformazione plastica consistono nel prendere un materiale con forma preliminare e trasformarlo in una parte con forma prossima o coincidente con quella finale mediante l’applicazione di forze che causano rottura dei legami, scorrimento cristallino e formazione dei nuovi legami. Quando un materiale viene deformato plasticamente vale la costanza del volume, per cui nelle deformazioni plastiche, ossia nelle deformazioni che superano il punto di snervamento, per esempio di allungamento del provino, avremo una forma più lunga ma anche con sezione minore. Il progettista si deve assicurare che la deformazione del pezzo sia al di sotto del punto di snervamento, ossia deve essere in campo elastico, per evitare ogni possibile rottura.

Viene sfruttata per cambiare la forma di un pezzo. Si possono eseguire a temperatura ambiente o “a caldo”, ossia ad alta temperatura. Nella pratica, questi processi possono avvenire tramite stampaggio, in cui la forma viene modellata con uno stampo e controstampo, così da ottenere uno stampato vicino alla forma finale, con degli scarti chiamati bava, o tramite laminazione, in cui vengono utilizzati dei rulli per assottigliare il materiale, o tramite estrusione, in cui il materiale viene spinto con forza da uno spintore in una camera e di seguito in una matrice, da cui esce con dimensione richiesta, oppure tramite piegatura, in cui il materiale poggiato su una matrice e sottoposto all’azione di un punzone prende la forma desiderata. A questo tipo di lavorazione si prestano meglio materiali duttili, con ampio campo plastico, rispetto a quelli fragili.

Processi sottrattivi, in genere definite lavorazioni per asportazione di truciolo nel caso dei metalli, o lavorazioni alle macchine utensili, consistono nel prendere un materiale con forma preliminare e grezza e trasformarlo in una parte con forma prossima o coincidente con quella finale rimuovendo il materiale in eccesso attraverso la rottura dei legami atomici. Vengono definiti anche processi di rimozione o, nel caso di metalli, processi alle macchine utensili, nelle quali si ha un utensile in moto relativo rispetto alla parte determinando la rimozione del materiale in eccesso ottenendo la forma desiderata, dove il materiale asportato prende il nome di truciolo.

Nella pratica, questi processi avvengono tramite tornitura, in cui viene utilizzato un utensile a punta singola che, messo in contatto con il materiale in rotazione, asporta da questo del truciolo fino a ottenere le dimensioni desiderate, o tramite fresatura, in cui è la fresa stessa a ruotare sul pezzo in lavorazione che avanza anch’esso. La combinazione di questi due moti permette di asportare materiale e ottenere la forma desiderata, o tramite foratura, in cui viene usato un utensile rotante che, avanzando, fora il pezzo in lavorazione.

Processi additivi prendono un materiale privo di forma, liquido o polvere, e lo trasformano, grazie alla generazione e sovrapposizione di strati di materiale con formazione di legami, ottenendo una parte con forma prossima o coincidente con quella finale. Questa procedura è vantaggiosa, ad esempio, se si cercano forme complesse difficili da ottenere con i processi tradizionali. Nella pratica, lo stampaggio 3D permette di ottenere materiali da polveri o liquidi con alta precisione e pochissimo sfrido, ossia residuo della lavorazione di materiali.

I processi di collegamento invece ottengono la forma finale dell’oggetto tramite assemblaggio di parti distinte, mediante saldatura, incollaggio o fissaggio meccanico. Nella pratica, ci sono diversi tipi di saldatura, MIG, TIG o laser. Infine, i processi di finitura sono utilizzati per eliminare le irregolarità superficiali, utilizzate solo quando la rugosità superficiale della parte non può essere ottenuta tramite lavorazioni per asportazione di truciolo. Nella pratica, sono utilizzati per migliorare le parti lavorate tramite, ad esempio, pallinatura, burattatura o sabbiatura. Tra i vari processi possono esserci interazioni per ottenere la parte finita.

Relazione tra processi e materiali

La relazione tra processi e materiali è ben definibile tramite una matrice binaria di compatibilità processo-materiale. Questa riporta sulle linee diversi processi, sulle colonne diversi materiali. Aiuta a capire se determinati materiali possono subire o meno determinate lavorazioni. Non tutti i materiali possono quindi essere lavorati con un determinato processo, e di conseguenza ci sono processi più versatili di altri. Prima di scegliere un processo bisogna quindi sapere quale materiale devo lavorare. La stessa tabella può essere fatta per determinati materiali specifici, ad esempio le varie leghe metalliche. I materiali non ferrosi e le lavorazioni alle macchine utensili sono tra tutti i materiali e le lavorazioni più versatili.

Principali caratteristiche di processo

Le principali caratteristiche di processo vengono espresse in termini di geometria della parte da ottenere, di proprietà meccaniche della parte, di tolleranze e finiture superficiali, produttività, fattori umani o ambientali. Per geometria si intende che certi processi mi portano ad ottenere geometrie meno complesse di altri: la fonderia, ad esempio, mi fa ottenere parti con forma molto complicata, altri invece sono limitati sotto questo punto di vista, come le lavorazioni per deformazione plastica. Per proprietà meccanica si intende la richiesta di proprietà che necessito nel materiale: la fonderia non fornisce al pezzo proprietà meccaniche elevate a causa delle strutture dendritiche, la dimensione dei grani o soffiature, mentre si possono utilizzare lavorazioni per deformazione plastica.

Per tolleranze e finiture superficiali si intende la necessità di avere tolleranze stette o meno, o una finitura superficiale alta: in tal caso la fonderia fornisce una bassa qualità superficiale, le lavorazioni per asportazione di truciolo invece, con le corrette scelte di utensile, mi fanno ottenere una bassa rugosità. Per produttività si intende la durata del processo: la colata sotto pressione in fonderia ha una produttività elevata rispetto alla colata in terra. Per fattori umani e ambientali si intende la necessità di manodopera o meno e la funzionalità di questa al processo, come ad esempio l’operatore che deve eseguire la lavorazione con una macchina a comando manuale, e la necessità di avere accortezze per il rispetto dell’ambiente per valutarne il suo impatto ambientale: le lavorazioni per asportazione di truciolo hanno sicuramente un impatto meno elevato della fonderia.

Elementi che concorrono alla realizzazione di un processo

Alla realizzazione di un processo concorrono diversi input coi quali ottengo diversi output. Per input si intendono: le risorse, ossia macchine e manodopera, i materiali da sottoporre a lavorazione, l’energia per far funzionare il tutto e le informazioni del ciclo di lavorazione. Come output ottengo i materiali, sia il prodotto finito e gli scarti e gli sfridi, rispettivamente una parte che non soddisfa i requisiti e il materiale asportato, l’energia, recuperabile e persa, come il calore generato nell’asportazione di truciolo, e le informazioni, relative all’oggetto e al processo.

Sistema tecnologico per la realizzazione del processo

Un processo può essere visto anche come una trasformazione tecnologica, ossia come una variazione nel tempo di una o più proprietà della parte, assimilabile ad una trasformazione che porta il materiale dallo stato iniziale a quello finale, come ad esempio l’aumento del diametro del pezzo durante il processo di ricalcatura assialsimmetrica di un cilindro, o l’aumento dell’altezza della parete laterale del pezzo o della resistenza meccanica, sempre a seconda del processo che utilizzo.

Casi in cui si preferisce la fonderia e limitazioni

I processi di fonderia sono processi di formatura mediante consolidamento da liquido, basati sulla colata del fuso, ossia una lega metallica, che permette di avere determinate caratteristiche migliori rispetto al metallo puro, portata allo stato liquido, entro una cavità e sulla conseguente memorizzazione della geometria della cavità per il consolidamento dovuto alla solidificazione del fuso causata dal raffreddamento. Nel caso delle leghe, a differenza dei metalli puri, questa avviene in un intervallo di temperatura, e non in un valore specifico di temperatura.

Sono tra i processi più antichi sviluppati dall’uomo, ci sono infatti oggetti ottenuti mediante fonderia risalenti al 4000 a.C. Il processo di fonderia dei metalli presenta analogie con processi di fabbricazione da liquido anche di materiali non metallici, come le resine termoplastiche. Consentono la fabbricazione in parti di forma semplice, utilizzati come semilavorati, in particolari pani e lingotti, dove i primi vengono poi rifusi perché usati in fonderia, i secondi deformati perché usati in lavorazioni plastiche, o complesse, come i getti, che hanno un utilizzo diretto a meno di ulteriori lavorazioni necessarie, come ad esempio lavorazioni per asportazione per ottenere spigoli vivi o tolleranze strette.

La fonderia viene preferita agli altri processi in caso di realizzazione di forme complesse, ossia i getti, soprattutto se presenta cavità interne, o quando abbiamo a che fare con materiali non lavorabili con altri processi, come ad esempio le ghise, che hanno una scarsa attitudine a subire processi di deformazione plastica ma una forte attitudine ad essere sottoposta a processi di fonderia con cui posso ottenere forme complesse, inoltre, viene scelta quando i costi di produzione di quella parte sono più bassi rispetto a quelli da sostenere usando altri processi, ossia si ha un vantaggio economico.

I processi di fonderia hanno però dei limiti: producono materiali con bassi livelli di resistenza, duttilità e tenacia, a causa ad esempio di strutture dendritiche o un elevato grado di porosità, che forma dei vuoti nel getto, inoltre, si hanno bassi livelli di precisione dimensionale e finitura superficiale, causate dal ritiro o dal tipo di forma utilizzata, molto spesso in terra perché quelle metalliche sono costose, ed alte temperature da raggiungere per la realizzazione, ossia le problematiche ambientali e dei costi energetici (lega acciaio oltre 1600°, alluminio oltre 700°). Esempi di parti fabbricate per fonderia sono dischi freno, blocco motore, testate di motori ecc.

Forma e spinta metallostatica

Si definisce forma la cavità all’interno della quale si versa il metallo fuso; è il componente più importante in un processo di fonderia. Essa, infatti, riproduce in negativo e in genere in maniera meno dettagliata, a seconda della forma da realizzare, la geometria esterna del pezzo da realizzare. Essa è dimensionata tenendo conto del ritiro del fuso, e quindi sovradimensionata rispetto alle reali dimensioni del pezzo da realizzare. Può essere realizzata mediante materiali di vario tipo, come terra da fonderia, forme metalliche o materiali refrattari in particolare se il fuso raggiunge alte temperature.

Può essere aperta, ossia con una superficie aperta a contatto con l’ambiente, attraverso la quale avviene il versamento, oppure chiusa, con canalizzazioni che consentono al fuso di entrare nelle cavità che costituiscono la forma ed altre componenti, come ad esempio la materozza, così da formare i getti. La forma chiusa in particolare è usualmente realizzata in due parti. Il fuso viene versato in un sistema di colata, costituito da canalizzazioni appositamente realizzate tali da permettere il riempimento della forma evitando la formazione di difetti. Lo scopo è quello di ottenere tramite la forma il getto da estrarre poi. Se il pezzo presenta una cavità all’interno della forma si posiziona l’anima, ossia un elemento solido che riproduce in negativo la geometria interna del getto impedendo il riempimento della forma nella zona cava del pezzo. Questa è preparata con materiali analoghi a quelli della forma ed è dotata di opportune appendici per l’appoggio su sedi ricavate nella forma, chiamate portate d’anima, in modo tale che non venga spostata per la spinta metallostatica del metallo. Tramite il sistema di colata viene permesso di riempire l’interspazio tra forma, la cui chiusura è spesso assicurata con delle zavorre.