Appunti esame di Tecnologie e studi di fabbricazione

INTRODUZIONE

L'ingegneria di produzione (manufacturing engineering) è una disciplina dell'ingegneria che si occupa di diverse

pratiche di produzione e della ricerca e sviluppo di sistemi, processi, macchine, strumenti e attrezzature.

La tecnologia di produzione (manufacturing technology) fornisce gli strumenti che consentono la produzione di tutti i

manufatti.

Le moderne operazioni di produzione sono realizzate da apparecchiature meccanizzate/automatizzate

supervisionate da lavoratori umani.

Alcuni prodotti sono un unico componente (chiodo, bullone, forcella, appendiabiti, ecc.), altri sono assemblaggi di

molti componenti (penne a sfera, automobili, lavatrici, ecc.).

Operazioni di lavorazione (processing operations): trasformare un materiale di lavoro da uno stato di

completamento ad uno stato più avanzato.

Operazioni di assemblaggio (assembly operations): unire due o più componenti per creare una nuova entità.

Processi di sagomatura (shaping processes): trasformare la forma di un materiale da lavoro da uno stato grezzo di

completamento a uno stato più avanzato o finito.

Processi di giunzione (joining processes): utilizzati per assemblare singole parti in un componente o in un assieme più

grande e complesso. PROCESSI DI PRODUZIONE

Fare cose è stata un'attività umana essenziale da prima della storia documentata.

Aspetti tecnologici: applicazione di processi fisici e chimici per alterare la geometria, le proprietà e/o l'aspetto di un

materiale di partenza per realizzare parti o prodotti.

Aspetti economici: trasformazione di materiali in oggetti di maggior valore mediante una o più operazioni di

lavorazione e/o assemblaggio.

L'industria è costituita da imprese e organizzazioni che producono o forniscono beni e servizi.

La produzione comprende diversi settori i cui prodotti sono ad esempio,

abbigliamento, bevande, prodotti chimici e lavorazione degli alimenti. Per i nostri

scopi, produzione significa produzione di hardware.

Tendenze future: compositi + materiali elettronici.

Materiali: la maggior parte dei materiali ingegneristici può essere classificata in

una delle tre categorie di base: Metalli, Ceramiche, Polimeri.

Materiali compositi: sono costituiti da un mix di tipologie di materiali differenti,

conseguentemente sono propri di una maggiore quantità di caratteristiche nello

stesso materiale, per questo sono sempre più importanti, garantiscono maggiore

libertà e sono meno costosi. Allo stesso tempo però sono difficili da riciclare, in

quanto devono essere scomposti prima di essere riciclati. Sono utilizzati ad esempio in ambito aerospaziale.

Il materiale viene scelto in base alle sue caratteristiche e quindi in base all’utilizzo che ne vuole fare il progettista.

Capacità di produzione (volume produttivo): quantità massima di pezzi che un impianto può produrre in un

determinato periodo di tempo (ad esempio, mese o anno) in condizioni operative assunte. Si divide in bassa

produzione, media produzione e alta produzione.

Capacità di lavorazione tecnologica: i processi di produzione sono adatti a determinati materiali, quindi

specializzandosi in determinati processi, lo stabilimento si sta specializzando anche in determinati materiali.

Basso – da 1 a 100

Medio – da 100 a 10.000

Alto – da 10.000 a più di 1.000.000

Variabilità del prodotto e volume produttivo sono in contrasto tra loro.

I tre elementi costitutivi (Materiali, Processi, Sistemi) sono l'oggetto della produzione moderna.

Un impianto di produzione è costituito da processi e sistemi (e persone) per trasformare una certa gamma limitata di

materiali in prodotti di maggior valore.

Facilities layout:

Diversi processi hanno un’utilità differente.

Layout aziendale: distribuzione nello spazio di macchinari per realizzare le componenti.

Project shop è il termine utilizzato per questo tipo di impianto di

produzione:

- Realizza basse quantità di prodotti specializzati e personalizzati

(basso volume produttivo)

- I prodotti sono tipicamente complessi, ad esempio capsule spaziali,

prototipi di aerei, macchinari speciali (componenti molto grandi)

- L'attrezzatura in un'officina è di uso generale

- La forza lavoro è altamente qualificata

- Progettato per la massima flessibilità, ma processo lento.

Flow line and Transfer Line sono i termini utilizzati per questo tipo di

impianto:

- Più macchine o postazioni di lavoro disposte in sequenza, ad es.

linee di produzione (catena di montaggio)

- Il prodotto è complesso e richiede molteplici operazioni di

lavorazione e/o assemblaggio

- Le unità di lavoro vengono spostate fisicamente attraverso la

sequenza per completare il prodotto

- Le postazioni di lavoro e le attrezzature sono progettate

specificamente per il prodotto per massimizzare l'efficienza.

Job Shop è il termine utilizzato per questo tipo di impianto:

- Elevata flessibilità nell'ingegnerizzazione del prodotto (poiché si

può cambiare il ciclo)

- Elevata flessibilità di espansione (le macchine possono essere

facilmente aggiunte o sostituite)

- Elevata elasticità del volume di produzione (grazie a piccoli

incrementi della capacità produttiva)

- Bassa obsolescenza (le macchine sono tipicamente multiuso)

- Elevata robustezza ai guasti delle macchine

- Programmazione molto rigida a causa dell'elevata variabilità del

prodotto e del flusso di produzione contorto

- Basso utilizzo della capacità

- Volumi di produzione medio-bassi (sistema a reparti)

Nei sistemi di Cellular Manufacturing le macchine sono

raggruppate in base alle famiglie di parti prodotte. Il flusso di

materiale è notevolmente migliorato, riducendo la distanza

percorsa dai materiali, l'inventario e i tempi di consegna cumulativi.

- Posseggono medio-alti volumi di produzione (produttività) e una

buona flessibilità.

- Compromesso tra catena di montaggio e reparti

- Funge da macchina da catena di montaggio, ma è

riprogrammabile; perciò, è possibile cambiare produzione (catena

di montaggio più moderna e tecnologica).

- Macchine che lavorano in una cellula e sono in grado di fare più

cose (flessibili)

- Si riesce a mettere insieme la varietà del prodotto e il volume

produttivo

Se il volume produttivo è alto, avrò un’elevata produzione di pezzi, ma una bassa variabilità del prodotto

(inversamente proporzionali).

Sviluppo di un nuovo prodotto:

1. Idea: da indagini di mercato l’azienda si rende conto di una richiesta

2. Ricerca: il designer inizia a pensare al prodotto

3. Sviluppo: sviluppo del prodotto

4. Test: test sul prodotto

5. Analisi: analisi risultati dei test

6. Intro: prodotto immesso nel mercato

Durante lo sviluppo del prodotto non ho entrate, ma sto solo investendo in esso quindi ho solo costi. Una volta

introdotto il prodotto, se esso viene venduto, avrò una fase esponenziale di crescita. Successivamente ne avrò una

lineare poiché molti clienti avranno già comprato il mio prodotto. Poi inizieranno ad esserci concorrenti quindi la mia

vendita diminuirà. Infine, vi sarà un declino poiché il prodotto non soddisferà più la richiesta del mercato.

Time to Market: tempo che intercorre tra l’idea e l’effettiva immissione nel mercato del prodotto.

Se il ciclo di vita del prodotto è lo stesso, l’azienda che immette per prima il prodotto avrà un maggior guadagno,

quindi, è necessario ridurre al minimo il time to market.

I costi relativi al design del prodotto sono i minori per l’azienda, ma allo stesso tempo è il design che garantisce una

maggiore influenza sulla decisione di acquistare il prodotto.

Quello che abbiamo appena descritto è il metodo di sviluppo utilizzato al giorno d’oggi, ma prima si faceva così:

Si andava a creare un vero e proprio loop.

Questo modello però non andava bene poiché il designer (colui che si

occupa del design) e il tecnologo (colui che si occupa del manufacturing)

erano come separati da un muro, ovvero non vi era alcuna comunicazione.

Per questo dopo la revisione del prototipo creato, se essa non era andate a

buon fine, era necessario ricominciare addirittura dalla creazione di un

nuovo design.

Ma come si può ben notare, ciò che generava questa non comunicazione era una grande spesa per l’azienda per la

creazione di una notevole quantità di prototipi, la cui maggior parte veniva scartata a causa di una revisione non

andata a buon fine.

Perciò l’obiettivo maggiore necessario da raggiungere tramite le modifiche a questo modello di sviluppo era quello di

ridurre al più possibile i test fisici a causa dei tempi e dei costi richiesti, i quali erano molto elevati.

La soluzione a questo problema si trovò nella simulazione.

Per poter produrre un prodotto, bisogna prima tenere in considerazione quelli che vengono definiti gli aspetti

principali ottimali (tetraedro della produzione):

- costo di produzione (vorrei fossero più bassi possibile)

- tempo di produzione (vorrei fosse più basso possibile)

- qualità del prodotto (vorrei fosse più alta possibile)

- flessibilità (possibilità di variare il prodotto per seguire l’andamento di

mercato)

Questi aspetti però sono tutti in contrasto tra loro, quindi è molto difficile trovare un prodotto che riesca a

soddisfarli tutti e quattro in modo ottimale.

Tolleranza: indice di qualità (tanto è più piccola più il prodotto sarà di

qualità).

Maggiore è la qualità, maggiore sarà il costo (in modo esponenziale).

I processi produttivi vengono scelti in base agli aspetti che ritengo più

importanti per il mio prodotto.

Nella fase di design viene definita la lavorazione del prodotto se designer (progettista) e tecnologo comunicano.

Diversi tipi di design:

Design for Manufacturing, Design for Assembly, Design for Reliability, Design for Maintainability, Design for

Disassembly, Design for Recycling/Disposal, Design for Life Cycle, Design for Sustainability, Design for Ergonomics…

L’utilizzo di questi diversi tipi di design, se accorpato all’utilizzo ottimale degli aspetti principali del tetraedro di

produzione, mi aiutano nello sviluppo del prodotto finale.

Uno stesso prodotto (geometria) può essere creato tramite diversi processi produttivi, viene scelto quello che ha

maggiori aspetti ottimali.

Per capire la geometria adatta al prodotto sono state create delle tecnologie specializzate.

È sempre meglio scegliere una geometria realizzabile tramite una maggiore quantità di processi produttivi, andando

a considerare prima di tutto le caratteristiche del materiale e le funzionalità del prodotto finale (questo vale sia per il

Design for Manufacturing che per il Design for Assembly).

Design for Manufacturing: Design for Assembly:

Diminuendo il numero di componenti pur mantenendo la funzionalità, avrò meno tempo di assemblaggio. Ridurre il

numero di componenti aumenta l’affidabilità del prodotto (meno componenti ho, ciascuna con una probabilità di

rottura che si andrà a sommare con le altre nel momento in cui le assemblo, minore sarà la probabilità di rottura del

prodotto finale).

L’utilizzo in fase di progettazione del design for manufacturing e del

design for assembly permette di ridurre almeno del 40% i tempi di

sviluppo del prodotto riducendo tutte quelle fasi di messa a punto.

Riduce il numero di pezzi e il tempo impiegato per la realizzazione dei

pezzi, riduce quindi anche i costi, aumenta l'affidabilità, il processo di

produzione è semplificato e composto da meno parti (quindi c'è meno

possibilità di errori) ed aumenta la qualità di un progetto (stesso motivo

per cui aumenta l'affidabilità).

Design for Sustainability and Design for Recycling/Disposal:

Non è sempre possibile riciclare in quanto questo dipende sempre dai costi, i quali sono molto elevati. I costi

aumentano all’aumentare della percentuale di riciclo che si fa, ma ovviamente tramite questo si hanno comunque

delle entrate, si tratta solo di capire da parte dell’azienda la soluzione migliore per avere un maggior profitto.

Data Base Centrale (Computer Aided Engineering CAE):

La creazione di un database centrale consente la visione e la modifica a tutti gli attori dei dati presenti in esso in

modo da agevolare la comunicazione tra tutti i componenti del team per la creazione del nuovo prodotto. Qui vi è

contenuto anche il modello CAD del prodotto, il quale è visionabile e modificabile da tutti.

Si parte da un progetto preliminare, poi avremo un progetto esecutivo che prende informazioni sia dal CAD che dal

progetto preliminare facendo analisi strutturali e modificando il modello andando a creare i disegni esecutivi,

vengono pianificati i processi. Durante questo ciclo di produzione entrano in gioco diversi tipi di software di

simulazione o di utilizzo come CAM (data la geometria e il semilavorato di partenza permette di determinare i

parametri di processo per realizzare il componente), CAPP (permette di gestire, simulare e ottimizzare il processo di

pianificazione dei processi).

Avere un database unico diminuisce la probabilità di errore.

Computer-Integrated Manufacturing (CIM): tendenza delle aziende ad automatizzare tutto.

Processi di solidificazione: I quattro processi principali sono:

fusione, deformazione plastica,

lavorazione per asportazione di

truciolo e saldatura.

Per creare un prodotto tramite

fusione bisogna creare uno stampo, il

quale avrà la forma in negativo del

mio prodotto finale.

Stampo permanente: utilizzato per la

solidificazione di più pezzi

Stampo unico (stampo a perdere):

realizzato per la produzione di un

singolo pezzo

Esempio di stampo a perdere: fusione in sabbia, cera, schiuma persa

Lo stampo si realizza tramite dei modelli, ovvero dei componenti con geometria simile a quella del pezzo che voglio

realizzare, ma molto più facili da modellare (ad esempio se la geometria è in sabbia, il modello sarà in legno).

Il modello serve per creare all’interno di uno stampo a perdere (o permanente) quella che è la cavità necessaria per

la realizzazione del prodotto finale. Conseguentemente il modello si dirà a perdere (o permanente).

Processi di deformazione plastica:

Si dividono in: processi massivi e processi di deformazione plastica delle lamiere. I massivi cambiano tutte e tre le

dimensioni del pezzo lavorato, quelli di deformazione plastica delle lamiere modifica la forma della lamiera, ma non

ne modifica lo spessore.

Massivi: laminazione, ring rolling, forgiatura, estrusione (faccio passare il materiale in un foro), trafilatura (tiro il

materiale facendolo passare da un foro).

Deformazione plastica delle lamiere: tranciatura, teratura, spinning, idroformatura

Processi di asportazione di truciolo:

Alcuni esempi: tornitura, foratura, presatura, forgiatura, finitura

Processi di saldatura:

METROLOGIA INGEGNERISTICA: TOLLERANZA E RUGOSITA’

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 nel disegno (rappresentano le grandezze

misurate che mi rappresentano quella geometria).

- Tolleranze: variazioni consentite rispetto alle dimensioni delle parti specificate consentite nella produzione

Una quota è un valore numerico espresso in unità di misura appropriate e indicato su un disegno, per definire la

dimensione o la caratteristica geometrica, o entrambe, di una parte o di una caratteristica della parte. La quota

indica la dimensione della parte desiderata dal progettista, se la parte può essere realizzata senza errori o variazioni

nel processo di fabbricazione. La tolleranza individua quanto può cambiare una grandezza, la

posizione mi dice rispetto a quale quota possono essere

considerate queste variazioni.

In un disegno sono sempre presenti il numero strettamente

necessario di quote dimensionali a definire quel disegno.

Questi due disegni, ad esempio, sono semplicemente quotati in maniera differente ed individuano due geometrie

finali completamente differenti.

Dimensioni nominali: dimensioni ideali (teoriche).

Se le consideriamo in dimensioni nominali allora le due quotature identificano lo stesso modello, altrimenti

rappresentano due geometrie completamente differenti. Il valore effettivo della dimensione quotata dipenderà da

come si combinano gli errori con cui si sono lavorate le quote lavorate.

Errori di lavorazione:

Una tolleranza è la quantità totale di variazione di una determinata dimensione: è la differenza tra il limite massimo

e quello minimo. Le variazioni si verificano in qualsiasi processo di produzione, che sono manifestate dalle variazioni

nelle dimensioni del pezzo.

Tolleranza dimensionale: dimensione max – dimensione min.

Tolleranze geometriche: analoga alla tolleranza dimensionale (forma max – forma min).

Errori geometrici (di forma): fanno riferimento alla forma del mio oggetto. Lo definisco tramite le tolleranze di forma

o geometriche. Si dividono in macro-geometrici e micro-geometrici. I primi sono definiti in una scala di errore molto

grande e costituiscono gli errori di forma, i secondi rappresentano la rugosità.

Errori dimensionali: misurati dalle tolleranze.

La quotatura deve considerare la funzione della parte e il modo in cui questa parte funziona con le parti correlate. In

questo modo un disegno può contenere una lavorazione più definita in modo più accurato.

Condizione massima del materiale (MMC): la condizione in cui una feature di

dimensione contiene la quantità massima di materiale entro i limiti di dimensione

dichiarati. Cioè, l'albero più grande e il foro più piccolo. Nessuna parte dell'