Teoria di Impianti meccanici I

Fattori connessi con la realizzazione di una idea produttiva

Per poter passare dall’idea di un nuovo prodotto alla commercializzazione dello stesso, è necessario seguire degli step indipendentemente dalla natura del prodotto. Però prima bisogna pensare alla realizzazione di un sistema produttivo, cioè un sistema in grado di realizzare quel prodotto; prima ancora bisogna effettuare lo studio di fattibilità della realizzazione dell’idea produttiva: in esso si valuta la fattibilità sia tecnica che economica.

La fattibilità economica è quella più importante perché un prodotto che ha un prezzo di vendita incompatibile con il mercato sarà un prodotto destinato a non avere successo.

Si valuta la compatibilità del prezzo di vendita con il mercato effettuando una ricerca di mercato; essa dà come risultato il prezzo di vendita a cui il mercato è disposto ad acquistare quel prodotto e l’idea dell’estensione del mercato, in termini quantitativi e geografici, es. mercato nazionale o internazionale.

Se lo studio di fattibilità dà esito positivo, allora si passa all’occuparsi del sistema produttivo; per farlo bisogna reperire i capitali, propri o di terzi, investitori o istituti di credito, poi si passa a:

• Progettare il prodotto →
• Definire l’ubicazione dell’impianto: dipende dalla distribuzione geografica del mercato e dalle materie prime da acquistare per realizzare il prodotto.
• Definire la potenzialità dell’impianto, cioè quanto grande deve essere l’impianto di produzione; dipende dal tasso di assorbimento del prodotto, cioè quanto si prevede di vendere, da parte del mercato.
• Definire i cicli di lavorazione: tradurre il cartellino di lavorazione in una sequenza di lavorazioni.

Lavorazioni = insieme di attività elementari che possono essere eseguite sulla stessa postazione di lavoro.

Elementi di lavoro: lavorazioni che non possono essere effettuate su postazioni di lavoro differenti. Es.: se devo fare prima metà foro e poi la seconda metà, devo farli entrambi sulla stessa macchina per non modificare il posizionamento del pezzo e incorrere nell’errore di 2 fori con assi sfasati.

Bisogna raggruppare gli elementi di lavoro, ciò significa impiegare una macchina più complessa e per più tempo.

Bisogna decidere quale forma organizzativa, ossia che tipologia di layout, avrà il proprio impianto produttivo.

• Linea di produzione, mass production: usata per prodotti standardizzati così da produrne tanti in poco tempo e a basso costo.

La linea di Ford divenne famosa perché così era possibile impiegare operai non specializzati per mansioni elementari tali da essere imparate in fretta → così si potevano abbassare i costi di produzione → scomposizione del lavoro in operazioni elementari.

• Progettare il processo produttivo.
• Trasformare il precedente processo in un sistema fisico, ha bisogno di un involucro = fabbricato industriale, “layout”.

La linea di produzione ha una disposizione geometrica a U → non può essere lineare perché i fabbricati dovrebbero avere forme insolite come 400 m x 20 m, “tipologia fabbricato”. 1

• Reperire vettori energetici, es. corrente elettrica, aria compressa, ...; manodopera, operai; macchine; materie prime.

Per questo i fabbricati devono essere a norma circa la climatizzazione, acclimazione, aspirazione e filtraggio delle polveri, polluzione atmosferiche, stoccaggio dell’acqua per uso industriale, es. per raffreddamento, illuminazione.

Le materie prime e i prodotti finiti devono essere trasportati e movimentati → c’è bisogno di un sistema di trasporto, logistica interna, es. tubazioni, e logistica esterna = distribuzione.

+ Affidabilità e manutenzione dei sistemi.

Classificazione delle industrie

• Settore primario → agricoltura e pesca.
• Settore secondario → produzione industriale, di energia, edilizia, miniere ...
• Settore terziario, attività a supporto del settore secondario → servizi ed altre attività economiche.

Plant layout

Tutto ciò che riguarda il plant layout è nato riferendosi al settore secondario, ma viene utilizzato anche nel terziario.

È lo studio della disposizione plano-altimetrica delle macchine, degli impianti, degli uomini e dei materiali → viene detto “studio delle 3 M”, machines, men, materials.

Riguarda anche gli uomini perché si fissa la postazione di lavoro degli operai.

Plano-altimetrica: la disposizione riguarda diversi livelli, es. impianti che sfruttano la gravità nel processo produttivo, come i cementifici.

Quando si effettua lo studio del plant layout

• Inizio produzione di un nuovo prodotto/idea produttiva.
• Variazione del quantitativo da produrre, es. se è aumentata la domanda di mercato.
• Sostituzione di macchine o fabbricati obsoleti.
• Obsolescenza del processo produttivo.
• Elevata frequenza di incidenti.
• Condizioni ambientali non ammissibili.

Obiettivi di uno studio del plant layout

• Ottimizzare lo spazio utilizzato → lo spazio/suolo è uno dei costi da affrontare.
• Riduzione dei costi per la movimentazione dei prodotti, materiali e persone, trasporto interno.
• Ampliamenti futuri.
• Migliori condizioni ambientali e di sicurezza e salute dei lavoratori.
• Riduzione degli investimenti di capitali.
• Utilizzazione ottimale delle risorse umane.
• Accessibilità agli impianti per manutenzione. 2

Grafico domanda-offerta

Grafico domanda-offerta.

Quantità (Q) → l’attitudine all’acquisto si riduce se il prezzo sale.

Prezzo (P).

Domanda. Offerta.

Effettuando lo studio di fattibilità di un processo produttivo ottengo il prezzo di vendita (p), il quantitativo d’attesa (Q) e il costo del prodotto unitario (c_u).

Impresa: organizzazione che utilizza materie prime o semilavorati per produrre dei prodotti finiti a maggior valore aggiunto. Maggior valore aggiunto = differenza tra prezzo di vendita e costo unitario.

u: utile unitario. R: ricavo. U > 0 condizione di lavoro per le imprese.

u = p – c_u. U = R – C.

U: utile. C: costi.

R = p ∙ Q → C = c_u ∙ Q. U = R – C = p ∙ Q – c_u ∙ Q = (p – c_u) ∙ Q. U = (p – c_u) ∙ Q.

U = u ∙ Q.

→ → → → → → ↑ ↓ ↓ ↑ ↓ U ↓

Se c_u aumenta, U diminuisce, quindi posso pensare di aumentare p per avere U = cost, ma se p aumenta, Q diminuisce.

Un aumento di prezzo può portare a una riduzione di quantità vendute più che proporzionale, la curva della domanda non è lineare → l’unico modo per mantenere l’utile costante, o comunque > 0, è quello di tenere sotto controllo i costi di produzione e quindi far sì che c_u non aumenti → l’obiettivo principale è quello di minimizzare i costi di produzione.

Il prezzo lo fa il cliente/mercato, in un mercato libero e non in un monopolio o oligopolio, che determina anche la quantità Q di prodotti venduti.

c_u: costi unitari. Q: quantitativo. c_u = C_f/Q + c_v.

C_f: costi fissi. c_v: costi variabili unitari.

È importante tenere conto nei costi fissi della tempistica, es. se usiamo capitali di terzi ci saranno degli interessi da pagare. 3

€ Ci interessa minimizzare questa fase in cui abbiamo solo costi.

Vendita 1° prodotto. Ricavi. Idea produttiva. t.

Studio di fattibilità. Studio layout. Costi. Realizzazione impianto produttivo. Collaudo e autorizzazioni.

Ridurre i tempi di costruzione così da ridurre l’esposizione finanziaria, cioè l’aumento degli interessi e quindi il possibile fallimento.

Quando si procede con il plant layout è necessario definire lo spazio di installazione per un macchinario, il quale comprende anche un’area per la postazione dell’operatore e per poter accedere alla macchina ed effettuare le necessarie azioni di manutenzioni:

M = area per manutenzione. Macchina 1. M macchina M. 1 operatore per più macchine, in generale in rapporto 1:5, soprattutto per macchine semiautomatiche.

Postazione operaio. Macchina 2. 4

Analisi prodotto-quantità [P-Q]

Per effettuare lo studio del plant layout è necessario comprendere che tipo di layout verrà implementata, es. linea di produzione. Per individuare la tipologia di plant layout che più si addice al proprio sistema produttivo è necessario effettuare l’analisi prodotto-quantità:

• Suddividere i prodotti in gruppi omogenei.
• Calcolare le quantità da produrre per ciascun gruppo.
• In un diagramma [P-Q] porre in ordine decrescente ciascun gruppo di prodotti in relazione alle quantità annuali da produrre.

Tipi di layout

Layout a punto fisso

È il sistema produttivo destinato a produrre una sola tipologia di prodotto in un solo quantitativo annuo, cioè dopo quell’anno quel prodotto non verrà più realizzato, almeno non in quella forma → fanno parte di questo tipo la grande cantieristica navale e aerospaziale, es. navi da crociera, petroliere.

La realizzazione del sistema produttivo è organizzata intorno allo stesso prodotto → il prodotto rimane fisso mentre il sistema produttivo si evolve intorno ad esso.

Layout per prodotto / in linea

È il sistema produttivo destinato a produrre poche tipologie di prodotto, 1 o 2, bassa flessibilità, ma in un quantitativo molto elevato → mass production.

Questo sistema produttivo per essere veloce deve essere organizzato in modo da poter seguire il ciclo produttivo del prodotto → si dispongono le diverse stazioni di lavoro, work station, secondo il ciclo produttivo.

Il prodotto rimane in ciascuna stazione di lavoro per un tempo molto breve, quindi in ciascuna di essa viene realizzata una piccola parte del ciclo produttivo ...

1 2 3 4 5

Linea di produzione = δ: tasso di produzione, throughput. 5

Le linee di produzione sono linee in cui δ è molto elevato e che utilizzano macchine molto poco flessibili, utilizzabili cioè solo in quella stazione di produzione → sono macchine customizzate, efficienti e molto veloci ma costose → elevato costo di investimento.

Questo è il motivo per cui è necessario far funzionare la linea di produzione h24 suddividendo la giornata in 3 turni, 6-14, 14-22, 22-6, per recuperare l’investimento. Il terzo turno è caratterizzato da una produttività inferiore rispetto agli altri 2.

Criticità: continuità di funzionamento tra una stazione e l’altra.

Per ottenere elevati tassi di produzione è necessario che i tempi di movimentazione siano ridotti → il trasporto da una stazione di lavoro all’altra non avviene per mezzo degli operatori, in quanto sarebbe una soluzione che necessita tempistiche più elevate e un’area maggiore intorno alle macchine per consentire all’operatore di spostare i pezzi, bensì vengono utilizzati dei sistemi di trasporto integrati come nastri trasportatori o convogliatori aerei.

Configurazione 0

Configurazione 0.

w1 w2 w3. w1 w2 w3. w1 w2 w3.

3 2 1. 1 2 1.

Configurazione 0-S

Configurazione 0-S.

w1 w2 w3.

Potrebbe succedere che la workstation 2 finisca di lavorare il pezzo 2 prima che la w1 finisca di lavorare il pezzo 3 → così facendo si introduce una inefficienza in quanto la w2 non potrà lavorare.

Oppure.

Configurazione 0-B

Configurazione 0-B.

w1 w2 w3.

Potrebbe succedere che la workstation 2 finisca di lavorare il pezzo 2 dopo che la w1 finisca di lavorare il pezzo 3 e la w3 finisca di lavorare il pezzo 1 → la w1 si blocca nonostante abbia finito di lavorare → anche in questo caso ci sarà un ritardo, ma è di tipo diverso dal precedente.

Per capire meglio la differenza tra i due casi, ridisegno il caso 0-B con più workstation.

w k EMPTY BLOCKED.

Se nella generica stazione di lavoro k un pezzo permane per più del tempo necessario, per problemi in generale, accadrà che i pezzi presenti nelle stazioni successive finiranno per essere lavorati sino all’ultima stazione di lavoro e finiranno nel magazzino prodotti finiti, cioè le stazioni a valle finiranno per essere vuote, mentre le stazioni a monte rimarranno bloccate perché non potranno trasferire il pezzo che hanno lavorato alla stazione successiva.

Il fenomeno che vede la linea svuotarsi a causa di un problema in una stazione a monte prende il nome di starving, configurazione 0-S; mentre il fenomeno per cui tutte le stazioni che sono a monte di una che si blocca, e quindi non possono lavorare perché hanno già terminato, prende il nome di blocking, configurazione 0-B → i fenomeni avvengono indipendentemente dalla posizione della stazione che si blocca e che genera ritardo. 6

In una linea di produzione non è sufficiente che i diversi elementi di lavoro siano affidati a delle macchine veloci per avere un’elevata cadenza produttiva e che il sistema di movimentazione dei pezzi sia integrato all’interno della linea di produzione, ma è necessario e fondamentale che la linea sia “bilanciata”, cioè i tempi di lavorazione dei pezzi nelle diverse stazioni di lavoro devono essere molto simili tra di loro così da evitare fenomeni di blocking e starving.

Anche in una linea perfettamente bilanciata, senza problemi tecnici e completamente automatizzata, senza operatori, ci possono essere fenomeni di starving e blocking in quanto la macchina è composta da una serie di meccanismi che hanno bisogno di segnali per essere avviati, quindi ci potrebbero essere comunque dei ritardi.

In genere si sa, nel momento dell’acquisto, quanti pezzi è in grado di produrre quella macchina ogni minuto, ma quello che viene fornito non è un dato deterministico, indicato con t per es., bensì è un valore medio o valore atteso, indicato con E(t1), ottenuto facendo varie osservazioni su quella macchina → è un dato stocastico, cioè caratterizzato da una certa distribuzione di probabilità:

Distribuzione normale o di Gauss, tipica funzione densità di probabilità.

A t1 ho la massima probabilità.

Per evitare di accumulare ritardi tra una stazione e l’altra si inseriscono dei buffer, sopperiscono alla variabilità stocastica dei tempi di processamento → stazioni per ospitare i pezzi quando si hanno dei ritardi; nel caso delle linee di produzione sono piccoli.

Stessa compresa tra una stazione e l’altra.

Spesso, però, è la linea di trasporto a svolgere la funzione di buffer:

Se sulla linea di trasporto c’è più di un pezzo significa che la macchina a monte ha processato il pezzo in un tempo minore di t1 mentre la stazione a valle lo ha fatto in tempo maggiore di t2 → la linea di trasporto si svuoterà quando la stazione a valle sarà più veloce di quella a monte → in una linea di produzione perfettamente bilanciata, invece, si ha t1 = t2.

Deviazione standard

Deviazione standard: misura la distanza media dei valori della distribuzione rispetto al valore medio / h misura la dispersione dei dati attorno al valore medio.

1 2 √ = ∑[ − ()] = 1 σ basso.

Più elevata è la deviazione standard, più i valori si disperdono intorno alla media → valori distanti dalla media hanno una probabilità più alta → curva gaussiana spanciata tipica di stazioni di lavoro manuali → grandi buffer.

Noi invece vogliamo un σ basso così da avere piccoli buffer, 2/3 pezzi al max → curva tipica di stazioni di lavoro automatiche. 7

Flowtime e work in process

Flowtime, tempo di attraversamento:

t_i: tempo di processamento della i-esima stazione.

φ [tempo].

∑ = = 1. N: num. tot delle stazioni.

Work in process = numero di pezzi contemporaneamente in lavorazione nel sistema:

WIP [pezzi] = δ ∙ φ.

È detta legge di Little e vale per una linea bilanciata in condizioni stazionarie.

Da questa legge si evince che se voglio δ elevati devo aumentare il WIP, φ è cost. → ciò significa aumentare il numero di stazioni e quindi aumentare i costi. N.B. aumentare il numero di stazioni non significa mettere in parallelo un’altra linea di produzione bensì suddividere ulteriormente le varie operazioni.

Tempo ciclo

Tempo ciclo = massimo tempo di permanenza di un pezzo in una stazione di lavoro.

La stazione di lavoro che impiega più tempo per la lavorazione è detta “collo di bottiglia”.

TC = (t_i) max.

Es. La w2 è la stazione “collo di bottiglia”.

w1 w2 w3.

4 min. 5 min. 4 min.

TC = 5 min. δ = 1/5 pezzi al minuto.

Però non è sempre così:

1/δ ≥ M.(t_i) = TC max.

1/δ > M.(t_i) < TC max.

TD: tempo disponibile. Q: quantità da produrre.

Es. Q = 1000 pezzi in un mese [pz/mese] su 2 turni da 8h, in generale si considerano 7h o 7,5h produttive.

TD = 21 giorni/mese ∙ 2 turni ∙ 7,5 h = 315 h/mese.

315 / (1000 + 1000 ∙ s) = 315 / 1050 = 0,3 h = 18 min.

s: % di scarti, es. s = 5%. 1