Studi di fabbricazione T-1 - Appunti

Studi di fabbricazione T9 CFU

Giovanni Tani

Prof. Appunti di Simone Benassi

Indice

• Studio di fabbricazione
• Sistemi produttivi
• Tipi di produzione
• Parametri di valutazione SP
• Definizione prodotto
• Caratteristiche prodotto
• Normative di disegno tecnico
• Caratterizzazione materiali
• Leghe ferrose – Materiali per l’ingegneria
• Trattamenti termici
• Ghise, Leghe di rame, Leghe di alluminio
• Classificazione dei processi di fabbricazione
• Processi fusori – Fonderia
• Deformazioni plastiche
• Laminazione
• Estrusione
• Trafilatura
• Fucinatura & stampaggio
• Asportazione di truciolo
• Forze di taglio
• Tornitura
• Foratura
• Alesatura
• Fresatura

Appunti dell’A.A. 2010/2011

Studi di fabbricazione - Indice moduli - Benassi Simone

1. Studio di fabbricazione

La fabbricazione di un nuovo prodotto o la modifica sostanziale di un prodotto già esistente comportano una attenta analisi di diversi aspetti.

Bisogna determinare la convenienza della fabbricazione, guardando se si possiedono le conoscenze ma soprattutto le tecnologie adatte alla nuova fabbricazione.

La scelta sbagliata di un nuovo prodotto da fabbricare può essere catastrofica per un’azienda se fatta male: lo sviluppo del nuovo prodotto può durare dai 3 ai 5 anni e coinvolge tantissimo personale.

È bene avere chiari gli obiettivi dello sviluppo (e fabbricazione) di un nuovo prodotto: il raggiungimento delle caratteristiche funzionali e qualitative richieste ma nel contempo sarà il fattore costo che determinerà le scelte definitive.

Bisogna effettuare delle scelte relative:

• Al prodotto;
• Ai materiali da utilizzare;
• Alla tecnologia da adottare;
• Ai sistemi produttivi che si hanno a disposizione.

Lo studio di queste attività prende il nome di “studio di fabbricazione”.

Se il prodotto è molto complesso e se gli investimenti in gioco sono molto elevati lo “studio di fabbricazione” fa parte di uno “studio di fattibilità”.

All’interno dello studio di fabbricazione figura sempre il “ciclo di lavorazione”.

Per sviluppare uno studio di fabbricazione innanzi tutto occorre analizzare:

• Il prodotto da realizzare: l’idea di un nuovo prodotto è data dal marketing. Bisogna conoscere le caratteristiche intrinseche tecnologiche del nuovo prodotto per poter valutare nel migliore dei modi il processo tecnologico. Si può valutare la convenienza delle due alternative del trade-off make or buy. È importante la valutazione delle precisioni che si devono ottenere per non andare a pregiudicare le dimensioni dei componenti e quindi anche del prodotto finito.
• Il sistema produttivo preso in esame: bisogna valutare il layout e l’utilizzazione degli impianti.
• L’engineering del prodotto: bisogna valutare i disegni e i cicli di lavorazione.
• I costi della fabbricazione: noti i materiali, i processi e le macchine ed i tempi di lavorazione ottenere una prima valutazione dei costi di fabbricazione. Questo comporterà di stabilire se continuare con lo studio di fabbricazione oppure apportare delle modifiche per cercare di abbattere i costi.
• Le soluzioni alternative: è bene valutare se sia conveniente apportare modifiche al prodotto, al processo o ai materiali per cercare di abbattere i costi.
• Comparazione delle soluzioni alternative: bilanciamento delle linee/macchine.

Imprese verticalizzate al giorno d’oggi non ne esistono in gran numero.

Sono quelle imprese che realizzano al loro interno tutta la filiera produttiva.

Si parte dal grezzo e si arriva tramite vari processi al prodotto finito.

Le aziende verticali sono presenti in quelle zone dove c’è poco indotto industriale.

L’indotto industriale è rappresentato da aziende più piccole che producono solo componenti e li vendono a terzi.

In Italia l’indotto industriale è molto forte.

Imprese virtuali: imprese che al loro interno praticamente non fabbricano nulla.

Comprano o fanno fabbricare tutto presso terzi: l’unica cosa che possono tenere nascosto è il cuore (la base) del prodotto.

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Studi di fabbricazione - modulo 1 Studio di fabbricazione - Benassi Simone

2. Sistemi produttivi

Nella valutazione dello sviluppo di un nuovo prodotto non si può (e deve) prescindere dal sistema produttivo: bisogna vedere le caratteristiche generali del sistema produttivo presente in azienda, poiché non tutti i prodotti sono fabbricabili dallo stesso sistema produttivo.

È opportuno conoscere ogni minimo dettaglio per quanto riguarda il sistema organizzativo aziendale, il sistema produttivo e il layout dello stesso.

Per ogni componente da produrre viene definito un ciclo di lavoro: questo è un documento che racchiude il ciclo di produzione del componente, elencando tutte le fasi con i rispettivi tempi ciclo, le macchine utensili e gli utensili da utilizzare per svolgere al meglio la lavorazione.

Questo documento è di molto aiuto per l’operatore che dovrà fare il set-up sulla macchina utensile.

Dopodichè è possibile calcolare il costo della fabbricazione del componente e infine decidere a quale prezzo verrà messo sul mercato o venduto ad aziende terze.

Definizione di sistema produttivo

Un sistema produttivo può essere considerato come una “scatola nera” in cui entrano risorse ed escono prodotti finiti.

RISORSE PRODOTTI

SISTEMA PRODUTTIVO

input output

Le risorse che entrano sono materiali, energia, manodopera, mezzi finanziari, ecc.

Il compito di un sistema produttivo è quello di trasformare tali risorse in prodotti finiti.

Un sistema produttivo può essere composto da macchinari, manodopera, impianti, materiali, mezzi di trasporto, mezzi di trattamento delle informazioni, ecc.

È molto importante che entrino in azienda informazioni dettagliate sulle esigenze del cliente per il prodotto, in modo da adattare il ciclo di lavorazione a tali richieste.

Ogni sistema produttivo deve interagire con le altre parti dell’azienda e quindi ne è condizionato.

Classificazione sistemi produttivi

I sistemi produttivi possono essere classificati in diversi modi:

Class. 1:

• Industrie manufatturiere: si caratterizzano per la produzione di un numero discreto di pezzi. In Italia costituiscono la maggioranza.
• Industrie di processo: si caratterizzano per una produzione di un numero di pezzi continuo (output continuo).

Class. 2:

• Industrie di base: da risorse e materiali producono materiali grezzi che saranno usati da industrie manufatturiere come grezzo di partenza per la loro produzione.
• Industrie di trasformazione: trasformano il grezzo di partenza (prodotto finito per le industrie di base); tale prodotto trasformato può essere rivolto al mercato o alle industrie di fabbricazione.
• Industrie di fabbricazione: utilizzano il prodotto trasformato dalle industrie di trasformazione. Viene fabbricato ed assemblato il prodotto finito.

Studi di fabbricazione - modulo 2 Sistemi produttivi - Benassi Simone 1

Class. 3:

• Industrie di prodotto di catalogo (o di serie): l’azienda decide autonomamente di fabbricare un nuovo prodotto, di cui effettua progettazione, ingegnerizzazione, fabbricazione di prototipi e preserie, fino a metterlo a catalogo in attesa poi degli ordini del cliente. Solitamente il prodotto prima di essere messo a catalogo viene fatto provare ad un’azienda amica.
• Industrie di prodotto su commessa: il prodotto non esiste sul mercato (nel catalogo). La progettazione e la fabbricazione vengono fatte su specifica necessità di un cliente. I tempi di consegna del prodotto sono molto lunghi: un esempio è l’ordine di fabbricazione di una paratia di una diga per Enel.

I prodotti su commessa si distinguono in:

• Prodotti differenziati: prodotti che vanno progettati ex-novo;
• Prodotti caratterizzati: possiedono all’incirca le stesse caratteristiche di prodotti già realizzati ma presentano notevoli cambiamenti, anche rispetto ai prodotti di catalogo.

Produzione

Il “lancio in produzione” può avvenire secondo modalità diverse:

• In base a previsione di vendita future (produzione in serie) (logica push);
• A seguito di ordini di clienti (logica pull).

Il lancio in produzione in base agli ordini o in base a previsione di vendita è caratterizzato dalla presenza del catalogo.

Invece il lancio in produzione su commessa (produzione fuori serie) è caratterizzato dall’assenza di catalogo: i pezzi sono richiesti in piccole quantità, mentre il sistema produttivo deve essere caratterizzato da forte flessibilità e area R&S e progettazione molto diversificata e competente.

Lead times: tempo di attraversamento; è il tempo che intercorre tra un evento e l’inizio del successivo.

Lead time cliente (CLT) è il tempo che intercorre fra ordine e consegna del prodotto al cliente.

Si deve fare in modo che il CLT sia il più breve possibile per fornire al cliente un buon servizio.

È possibile definire anche altri lead time, per esempio per la fornitura, per la produzione, ecc.

Solitamente il CLT contiene altri lead time.

Il CLT è crescente partendo da una produzione in base a previsione di vendita, passando da una produzione su ordine del cliente ed infine arrivando ad una produzione su commessa.

Nello specifico di una produzione su commessa il CLT è più lungo quando si tratta di prodotti differenziati rispetto a quando si tratta di prodotti caratterizzati.

Dal sistema produttivo, oltre che prodotti finiti, escono anche scarti e sfridi.

Gli scarti sono pezzi che presentano difetti e malfunzionamenti.

Gli sfridi sono materiali che vanno evacuati e che derivano dal grezzo di partenza, soggetto al processo di fabbricazione (es.: asportazione di truciolo).

Gli sfridi vanno ridotti al minimo per evitare sprechi di materiale e quindi sostenere costi aggiuntivi.

FABBRICAZIONE = TRASFORMAZIONE

La trasformazione è la variazione nel tempo di una o più proprietà del grezzo di partenza ottenuta attraverso opportuni processi elementari.

Studi di fabbricazione - modulo 2 Sistemi produttivi - Benassi Simone 2

Le principali operazioni che compongono il sistema produttivo sono 5: fabbricazione, assemblaggio, movimentazione materiali, ispezione (test), controllo.

Alcune attività possono essere dirette, come quelle elencate qui sopra, poiché agiscono direttamente sul “materiale”.

Con il termine indiretto si intendono tutte quelle attività o materiali che non agiscono “direttamente” sul prodotto ma che comunque servono ai fini della sua trasformazione (es.: olio lubrificante per le macchine).

Alcune attività inoltre aggiungono valore al prodotto (fabbricazione, assemblaggio) mentre altre non ne aggiungono ma servono comunque come attività di ausilio (movimentazione materiali, ispezione (test), controllo).

Processi di fabbricazione

I processi di fabbricazione si dividono in:

• Processi primari: consentono di avvicinarsi alla morfologia del finito senza tuttavia raggiungerla. Viene donato al componente la sua forma di base;
• Processi secondari: consentono di dare al componente la forma geometrica definitiva con uno o più processi in sequenza;
• Cambiamento di proprietà fisiche: non viene cambiata la geometria del componente, ma migliorate le caratteristiche meccaniche di esso;
• Finitura superficiale: consentono di donare particolari proprietà alle superfici.

È possibile giungere dal grezzo di partenza al prodotto finito mediante un unico processo, ma questo caso è molto raro.

Il più delle volte si raggiunge il prodotto finito eseguendo più processi di fabbricazione in sequenza.

Esempi di processi primari sono fusori, stampaggio, asportazione di truciolo.

Esempio di processo secondario è stampaggio di precisione.

Tutti questi processi di fabbricazione verranno approfonditi più avanti nel corso.

Molte attività del sistema produttivo vengono date completamente in outsourcing, come ad esempio la manutenzione delle macchine utensili e degli impianti.

Un altro esempio di outsourcing è dare la gestione dei propri magazzini a terzi, come fanno alcune industrie ceramiche.

Manufacturing engineering: ingegneria della fabbricazione; studio del lavoro, analisi dei metodi e dei tempi.

Studi di fabbricazione - modulo 2 Sistemi produttivi - Benassi Simone 3

3. Tipi di produzione

I modelli dei sistemi produttivi sono basati sulla ripetitività delle operazioni di fabbricazione e/o montaggio e sulla continuità del flusso uscente.

È possibile distinguere:

• Sistema a flusso: è detto anche sistema mass; sono caratterizzati dalla ripetitività delle operazioni e da un flusso uscente continuo;
• Sistema a lotti: è detto anche sistema per reparti; è caratterizzato dalla produzione di pezzi tutti uguali fra loro per un certo periodo di tempo; dopo un certo tempo si ferma la produzione per modificare l’assetto (set-up) delle macchine, per dare inizio alla produzione di un lotto di prodotto diverso dal precedente. È presente una discontinuità del flusso uscente a causa del tempi di attrezzaggio (set-up time);
• Sistema unitario: il prodotto fabbricato oggi è sicuramente diverso da quello che sarà fabbricato in futuro. Le operazioni vengono eseguite una sola volta e il flusso uscente presenta la massima discontinuità.

Quando si parla di sistema a lotti bisogna stare attenti alla dimensione del lotto, poiché essa è relativa.

Un lotto medio/grande può essere la produzione di 100 alberi motore mentre un lotto enorme potrebbe essere la fabbricazione di 10 navi.

Sulla dimensione del lotto influisce molto anche la dimensione dei pezzi da produrre (come nel caso delle navi) e la complessità dello stesso.

Set-up time è il tempo di attrezzaggio delle macchine per un lotto; le macchine vengono arrestate per permettere agli operatori di modificarne l’assetto, in base al lotto da produrre conseguentemente.

Bisogna gestire bene questi tempi poiché alcune macchine costosissime devono essere in funzione il maggior tempo possibile per cercare di ammortizzarne i costi elevati.

Ciclo di lavorazione è l’insieme delle varie operazioni che trasformano le materie prime in prodotto finito.

Un’altra classificazione sui modelli dei sistemi produttivi è la seguente:

Job shop production

Viene utilizzato un layout per processo (o per reparto); è caratterizzato da tanti reparti contenenti ognuno la stessa tipologia di macchinari.

Si riesce a produrre una grande varietà di prodotti, in grado si seguire le specifiche richieste dal cliente.

È caratterizzato da un basso volume di produzione e da lotti molto piccoli, a volte unitari.

Le macchine e le attrezzature devono essere estremamente flessibili poiché devono adattarsi ai lotti, ogni volta diversi.

La specializzazione del personale deve essere elevata a causa delle diverse operazioni che si devono svolgere (e alla flessibilità delle macchine).

La movimentazione del materiale è elevata, quindi i costi per tale movimentazione sono alti.

La logica job shop production lavora con WIP alto.

Nel grafico del layout sono presenti linee che indicano il percorso seguito dai componenti all’interno dei vari reparti.

Studi di fabbricazione - modulo 3 Tipi di produzione - Benassi Simone 1

Batch production

La produzione viene effettuata per lotti.

Le macchine adottate da questo sistema devono essere flessibili poiché si lavora per lotti (macchine general-purpose), ma nello stesso tempo devono garantire una discreta produttività.

I lotti sono di medie quantità o unitari, però ripetibili nel tempo.

In genere le capacità produttive sono superiori alla domanda, quindi si produce anche per il magazzino e quando lo stock viene ritenuto sufficiente viene cambiato il tipo di pezzo da produrre.

Mass production

Si divide in flow production e quantity production.

Viene utilizzato un layout in linea (o per prodotto); l’automazione è rigida poiché i macchinari fanno una singola operazione ripetutamente, in modo standardizzato.

È caratterizzato da un alto volume di produzione e gli investimenti in macchinari ed attrezzature sono elevati (vengono usate macchine special-purpose).

I cambiamenti di progetto del prodotto nel breve periodo sono molto difficili da gestire, a causa dell’elevata rigidità del sistema.

Ogni prodotto può avere una linea dedicata: le materie prime passano in sequenza nelle varie stazioni, fino a diventare prodotto finito, utilizzando linee a trasferta.

La rottura di una qualsiasi macchina, in una stazione, provoca l’arresto di tutta la linea (in questo caso si parla di breakdown di una macchina).

Il tasso di produzione è determinato/vincolato alla macchina più lenta.

Project shop

Vengono fabbricati manufatti molto grandi (es.: aerei, edifici, dighe, navi).

WIP Work In Process/Progress;

Rappresenta il numero di pezzi che sono presenti nel sistema produttivo in un determinato momento.

Tanto maggiore è il valore del WIP, tanto maggiori sono i costi di immobilizzo finanziario.

È più conveniente avere un sistema produttivo che lavora con WIP basso, ma questo non è sempre possibile: se il WIP è troppo basso si possono avere problemi di attesa dei pezzi da parte delle macchine.

Moderna produzione per lotti (batch production)

Viene abitualmente realizzata mediante macchine utensili CNC dotate di automazione flessibile.

Il layout della batch production moderna può essere fatto in diversi modi: job shop con macchine CNC dedicate; -str