Tecnologie e studi di fabbricazione - secondo parziale

Processi produttivi

I processi produttivi sono i processi che devono subire i materiali per assumere una determinata forma. La scelta del processo è determinata da vari fattori, come il materiale scelto, il risultato da ottenere, le tolleranze e il costo del processo, ecc. I materiali sono divisi in metallici, ceramici, polimerici e compositi (dove quelli compositi sono composti da più materiali diversi di quelli elencati prima).

Tipi di processi produttivi

I processi produttivi sono principalmente:

• Fusione
• Deformazione plastica
• Taglio
• Saldatura

Inoltre, la produzione può essere di più tipi, cioè produzione su commessa e produzione a magazzino. Nel primo caso ci riferiamo alla produzione di beni che vengono esplicitamente richiesti dal cliente, mentre nel secondo caso, alla produzione di beni sulla base di ricerche di mercato, da tenere in magazzino e da vendere.

Tipologie di flusso produttivo

Dal punto di vista temporale, il flusso produttivo può essere continuo, per lotti o unitario. La produzione continua consiste nella produzione di un solo prodotto in grandi quantità, senza molta flessibilità nei modelli, che avviene con impianti molto specializzati, progettati per quella produzione. Nel caso di produzione per lotti si utilizzano invece macchine meno specializzate e più flessibili, alternando la produzione di componenti diversi, in quantità variabile. La produzione unitaria riguarda, invece, piccole quantità di prodotti molto specializzati.

Ciclo di vita di un prodotto

1. Il primo passo nella realizzazione di un prodotto è il concepimento di un'idea sulla base di ricerche di mercato e previsioni di vendita. Dopo l'idea iniziale, viene fatta un'analisi, e tradotta in avanprogetto o progetto preliminare.

2. Il servizio di progettazione trasforma il progetto preliminare in progetto esecutivo, esaminando tutti gli aspetti del prodotto: funzionalità, prestazioni, sicurezza, riciclabilità, costo, aspetti estetici. È importante la scelta del materiale per garantire le determinate caratteristiche desiderate. Durante questa fase solitamente l’azienda produce dei prototipi per fare una sperimentazione. Per ridurre i costi di testing si possono usare dei simulatori.

3. Dopo la realizzazione del progetto inizia la preparazione dei disegni e viene presa una decisione su quali componenti produrre e quali, invece, acquistare.

4. Definito quindi il progetto e il risultato da ottenere, il servizio di fabbricazione si occupa del production planning (pianificazione della produzione), cioè la gestione del processo di fabbricazione in modo da ottenere la quantità desiderata di prodotto.

5. Seguono poi le attività di fabbricazione, montaggio, controllo e preparazione per la spedizione. Durante questa fase è importante il controllo della qualità dei componenti, per prevenire difetti di fabbricazione e ridurre al minimo gli scarti.

6. Il prodotto finito viene poi immagazzinato (eventualmente) e consegnato al cliente.

7. Durante la vita utile del prodotto venduto, il servizio di assistenza clienti assicura il continuo funzionamento del prodotto, con assistenza tecnica ed eventuali riparazioni. Inoltre, fornisce all’azienda informazioni sul reale funzionamento del prodotto sul mercato, in modo da poterlo, in caso, migliorare.

8. Quando il prodotto ha finito la sua vita utile deve poi poter essere smaltito ecologicamente, nel rispetto delle normative.

Nella progettazione di un prodotto bisogna trovare un compromesso tra tempo di produzione, costi, flessibilità, qualità; questo è detto tetraedro della produzione. Queste caratteristiche sono in contrasto fra loro. Ad esempio, qualità e costo di produzione: aumentando la qualità del pezzo servono processi più precisi, che richiedono spesso tempi più lunghi, e hanno quindi costi più elevati.

Layout aziendale

Il layout è la disposizione degli impianti e macchinari all’interno dell’impianto produttivo, deciso in base al tipo di produzione.

Project shop

È il layout tipico per la realizzazione di componenti o prodotti molto grandi, che non possono essere spostati con facilità, e richiedono quindi macchinari particolari capaci di muoversi attorno al componente. Questo tipo di layout e produzione richiede solitamente un numero limitato di personale, ma molto specializzato. Inoltre, è caratterizzato da una notevole variabilità, ogni pezzo è unico. (Esempio: produzione di navi da crociera). Ovviamente, data la portata del prodotto da produrre, questo tipo di aziende produce pochi prodotti, molto complessi.

Flow line and transfer line (catena di montaggio)

È un layout opposto al project shop. Consiste in una catena di montaggio, cioè le macchine sono disposte secondo l’ordine di lavorazione, in linee di produzione. Questo layout permette di avere una maggiore produttività, punta a volumi di produzione molto grandi, ma minore variabilità, perché le attrezzature sono progettate specificatamente per il prodotto da realizzare. Serve una continua manutenzione, perché spesso i macchinari sono soggetti a guasti, e in questo caso il fermo dell’impianto avrebbe un enorme impatto economico.

Job shop

Il job shop consiste in una divisione dei macchinari in vari reparti, secondo il loro impiego, conferendo un’elevata flessibilità di espansione (possono essere aggiunti facilmente nuovi macchinari). I componenti devono essere spostati da un reparto all’altro, la gestione è quindi più difficile e i macchinari hanno dei tempi morti (momenti in cui non vengono utilizzati). Un vantaggio di questo layout è l’elevata flessibilità sia nei volumi di produzione che nel tipo di prodotto realizzabile.

Cellular system

I macchinari sono divisi in cellule di lavoro, in base alle famiglie di componenti prodotte. Questo layout è intermedio fra job shop e flow line and transfer line.

Time to market e concurrent engineering

Un fattore importante nella progettazione è il time to market, cioè il tempo tra lo sviluppo del prodotto e la sua immissione sul mercato. È importante che questo sia ridotto al minimo, perché la permanenza in magazzino di scorte ha un costo: la produzione di un determinato prodotto comporta dei costi, che vengono risanati solamente quando il prodotto viene immesso sul mercato e venduto. Minore è il time to market e maggiore è la probabilità di avere guadagni maggiori.

Per ridurre il time to market abbiamo cambiato l’approccio alla progettazione. Il vecchio approccio prevedeva una separazione netta tra settore della progettazione e settore della produzione (manufacturing). Questo portava a un enorme spreco di tempo, poiché, ad esempio, alcune geometrie erano difficilmente realizzabili, portando quindi a una fase di sviluppo molto lunga.

Il concurrent engineering, invece, cambia l’approccio alla produzione, eliminando questa separazione tra progettazione e produzione. Questo sistema riduce il conteggio delle parti e il tempo impiegato per la realizzazione dei componenti, riducendo quindi i costi. Aumenta l’affidabilità, poiché porta a un processo di produzione più semplice, e c’è quindi minore probabilità di avere errori. Con il nuovo approccio già nella fase di design si tiene conto di quelli che potrebbero essere i problemi di realizzazione. Inoltre, si riduce al minimo il tempo necessario alla sperimentazione del prodotto, attraverso l’utilizzo di simulatori.

Design for XX

Design for XX è la variabile presa in considerazione in fase di sviluppo del prodotto. Sono regole che servono a sviluppare un buon prodotto senza aumentare i costi, a parità di funzionalità.

• Design for manufacturing: accorgimenti basati sulla geometria del componente, sui processi produttivi.
• Design for assembly: accorgimenti durante la fase di assemblaggio. Prodotti formati da un numero minore di componenti sono più resistenti, hanno minore probabilità di rompersi.
• Design for reliability
• Design for maintainability
• Design for disassembly
• Design for sustainability: accorgimenti per lo smaltimento del prodotto, prodotti riciclabili per la sostenibilità ambientale.

(Design for manufacturing e design for assembly DFMA sono gli accorgimenti che devono essere presi in considerazione durante la fase di design.)

Tolleranze dimensionali

I fattori che determinano le prestazioni di un prodotto fabbricato, oltre alle proprietà meccaniche e fisiche, includono:

• Dimensioni: dimensioni lineari o angolari di un componente specificate sul disegno della parte
• Tolleranze: variazioni consentite rispetto alle dimensioni della parte specificate consentite in produzione.

Dimensioni

Una dimensione è "un valore numerico espresso in opportune unità di misura e indicato su un disegno, ecc., per definire la dimensione o la caratteristica geometrica, o entrambe, di una parte o di una caratteristica della parte". La dimensione indica la dimensione della parte desiderata dal progettista, se la parte può essere realizzata senza errori o variazioni nel processo di fabbricazione. Le dimensioni vengono inserite all’interno del disegno attraverso la quotatura; non tutte le misure del prodotto sono importanti, sul disegno vengono inserite solo quelle necessarie.

A seconda dei componenti su cui si inserisce la quota, si vuole porre l’attenzione su cose diverse. Ad esempio, in questo caso vogliamo minimizzare gli errori delle quote A, B, C, mentre la componente in mezzo è la risultante delle altre tre.

Tolleranze

Una tolleranza è "la quantità totale di cui una dimensione specifica può variare: è la differenza tra i limiti massimo e minimo". Le variazioni si verificano in qualsiasi processo di produzione, manifestandosi come variazioni nella dimensione della parte. Le tolleranze possono essere dimensionali o geometriche. Le tolleranze dimensionali riguardano le singole quotature, mentre le tolleranze geometriche, o di forma, riguardano la geometria del pezzo.

Tolleranza di forma rispetto alla superficie

Rugosità in micron. Se è presente un indicatore di rugosità la superficie è funzionale.

Tolleranze dimensionali

La quotatura sui disegni indica la misura di riferimento, cioè la dimensione nominale D, che è diversa da quella che otteniamo poi nella pratica, dimensione effettiva De. La dimensione nominale individua la linea dello zero. Perché il pezzo sia accettabile è necessario che De sia compresa tra due dimensioni limite Dmax e Dmin. La differenza fra dimensione limite superiore e dimensione limite inferiore è detta campo di tolleranza, o solo tolleranza.

t = Dmax - Dmin

es = Dmax - D

Dove es è lo scostamento superiore.

ei = Dmin - D

t = es - ei

Dove ei è lo scostamento inferiore. Per convenzione consideriamo positivi i valori degli scostamenti sopra la linea dello zero, e negativi quelli sotto. La tolleranza è detta bilaterale quando si trova a cavallo della linea dello zero (quindi lo scostamento superiore è positivo, mentre quello inferiore negativo), mentre è detta unilaterale quando si trova completamente sopra o sotto la linea dello zero (gli scostamenti sono entrambi positivi o entrambi negativi).

Le tolleranze sono particolarmente importanti per gli accoppiamenti, cioè le connessioni di due elementi (ad esempio l’accoppiamento albero-foro). L’accoppiamento può essere a gioco, incerto, a interferenza.

Quando la dimensione effettiva dell’albero risulta sempre minore della dimensione effettiva del foro, si dice che presentano un gioco effettivo Ge, e si ha un accoppiamento mobile. Si definiscono inoltre gioco massimo Gmax, differenza fra dimensione limite superiore del foro e dell’albero, e gioco minimo Gmin, come differenza fra dimensione limite inferiore del foro e dell’albero.

Si parla invece di accoppiamento con interferenza effettiva Je, quando la dimensione effettiva dell’albero è sempre maggiore della dimensione effettiva del foro, e in questo caso si parla di accoppiamento stabile. Si definiscono interferenza minima Jmin, come la differenza tra la dimensione limite inferiore dell’albero e la dimensione limite superiore del foro.