Appunti Ingegnerizzazione di prodotto - Parte 2/9

PROGETTAZIONE DI PRODOTTI MODULARI elementi

Un prodotto può essere pensato sia in termini funzionali che fisici. Gli

funzionali di un prodotto sono le singole operazioni e trasformazioni che

elementi fisici

contribuiscono alle prestazioni complessive del prodotto. Gli

invece, sono le componenti che implementano le funzioni di prodotto.

L’architettura di un prodotto è lo schema in base al quale gli elementi

funzionali sono disposti in blocchi fisici e tali blocchi interagiscono.

Architettura modulare: nell’architettura modulare i blocchi

 implementano uno o pochi elementi funzionali nella loro interezza e le

interazioni fra blocchi sono ben definite e fondamentali per le funzioni

primarie del prodotto. L'architettura più modulare possibile è quella in cui

ogni elemento funzionale del prodotto è implementato da esattamente

un blocco fisico e in cui ci sono alcune interazioni ben definite tra i

blocchi.

Architettura integrale: nell’architettura integrale gli elementi

 funzionali vengono implementati utilizzando più di un blocco; un singolo

blocco implementa quindi molti elementi funzionali. Un prodotto che

incorpora un'architettura integrale sarà spesso progettato pensando alle

massime prestazioni possibili. I confini tra i blocchi possono essere difficili

da identificare o possono essere inesistenti.

La soluzione modulare, se da un lato è vantaggiosa in quanto per modificare

una caratteristica funzionale del prodotto mi basta modificare un blocco,

dall’altro lato risulta più scarsa perché non è una soluzione ottimizzata in

termini di performance (performance di ergonomia, peso, sicurezza, ecc…).

Invece, l'architettura integrale, che prevede la creazione del prodotto in un solo

blocco, ha caratteristiche opposte rispetto quella modulare per quanto riguarda

la manutenzione/sostituzione dei pezzi che costituiscono il prodotto e

l'ottimizzazione in termini di performance.

La modularità può essere di 3 tipologie:

1. Architettura modulare a slot: ciascuna delle interfacce tra i blocchi è di un

tipo diverso dalle altre, in modo che i vari blocchi nel prodotto non

possano essere scambiati.

2. Architettura modulare a bus: esiste un bus comune a cui si collegano gli

altri blocchi tramite lo stesso tipo di interfaccia.

3. Architettura modulare componibile: tutte le interfacce sono dello stesso

tipo, ma non esiste un singolo elemento a cui si collegano tutti gli altri

blocchi. L'assembly viene creato collegando i blocchi tra loro tramite

interfacce identiche.

I vantaggi della modularità sono quello di apportare modifiche ad alcuni

elementi funzionali isolati senza influire sul design di altri blocchi; i prodotti

modulari possono essere variati senza aggiungere complessità al sistema di

produzione; standardizzazione dei componenti;

Per stabilire l’architettura seguo diversi step:

1. Creo uno schema del prodotto: in questa fase definisco la struttura

funzionale

2. Raggruppo gli elementi dello schema: assegno ciascuno degli elementi

dello schema e un blocco

3. Creo un layout geometrico approssimativo

4. Identifico le interazioni fondamentali e accidentali: le interazioni tra

blocchi possono essere fondamentali che sono pianificate e fondamentali

appunto per il funzionamento del sistema. Le interazioni accidentali

sorgono a causa dell’implementazione fisica di elementi funzionali o a

causa della disposizione geometrica dei blocchi. Ci accorgiamo delle

interazioni accidentali solo dopo aver definito il layout geometrico

dell’architettura modulare.

VARIETY REDUCTION PROGRAM

Il Variety Reduction Program (VRP) è una tecnica che ha per obiettivo la

riduzione dei costi di progettazione e di sviluppo-prodotto, limitando il numero

dei componenti e dei processi necessari per fabbricare un prodotto,

rispondendo contemporaneamente alla richiesta del mercato di un’elevata

varietà di prodotti. Ciò che un’azienda deve fare è ridurre la varietà interna

(cioè l’elenco delle varianti dei componenti che un’azienda deve gestire

internamente per la produzione di un prodotto che, per Esempio: schema di

una stampante un’azienda, significa costi) a parità di varietà esterna (cioè

quello che l’azienda riesce a offrire sul mercato e che contribuisce alla

soddisfazione del cliente).

Consideriamo 3 tipi di costo:

Notiamo come i costi funzionali tendono a diminuire all'aumentare delle

varianti, in quanto vengono spalmati sulle varianti; gli altri due tipi di costi,

invece, aumentano all'aumentare delle varianti perché più componenti devo

gestire e più aumentano i costi.

La tecnica VRP ricerca il livello di varietà che deve essere presente per

minimizzare la somma dei tre costi. La varietà interna può essere misurata

attraverso “indici di varietà”:

1. Il “parts index”, che tiene conto dei diversi tipi di componenti che

compongono un prodotto e della loro numerosità

2. Il “production process index”, che tiene conto dei diversi tipi di processi

occorrenti per realizzare un prodotto e del numero di macchine coinvolte

in ogni processo.

Per ridurre la varietà interna lasciando invariata quella esterna posso utilizzare:

ROBUST DESIGN

Alle volte si progetta un prodotto considerando che esso si trovi in una

situazione ideale, ma nella realtà non è così. L'ambiente in cui il prodotto verrà

posto potrebbe essere soggetto a rumori, disturbi, ecc… che vanno ad

influenzare negativamente le performance del prodotto.

Robust Design: metodo per progettare e testare un prodotto, che va a

migliorare le prestazioni anche in presenza di variazioni incontrollabili e, quindi,

che riduce al minimo gli effetti del rumore. Attraverso test sperimentali e

analisi dei dati, nel Robust Design si identificano dei “robust setpoint”, ovvero

una combinazione dei parametri di progetto per i quali le prestazioni del

prodotto saranno quelle desiderate in un’ampia gamma di condizioni operative

e di variazioni di produzione.

Robust product: definiamo un prodotto (o processo) robusto come

quello che funziona come previsto anche sotto condizioni non ideali

come, ad esempio, variazioni del processo di produzione o una serie di

situazioni operative. Usiamo il termine “rumore” per descrivere variazioni

incontrollate che possono influire sulle prestazioni e diciamo che un prodotto di

qualità dovrebbe essere resistente ai fattori di rumore.

Ovviamente l’obiettivo è quello di scegliere la combinazione di valore dei

parametri che è meno sensibile a variazioni incontrollabili.

Per la progettazione di un prodotto robusto affronto 7 passaggi

1. Identificare i fattori di controllo, i fattori di rumore e le metriche

delle prestazioni:

a. Fattori di controllo: sono variabili di progetto che devono essere

variate in modo controllato durante l'esperimento, al fine di

esplorare le prestazioni del prodotto sotto le molte combinazioni di

setpoint dei parametri. Questi parametri sono chiamati fattori di

controllo perché sono tra le variabili che possono essere

specificate per la produzione e/o il funzionamento del

prodotto. Nell’esempio precedente, il fattore A è il fattore di

controllo.

b. Fattori di rumore: sono variabili che non possono essere

controllate esplicitamente durante la produzione e il

funzionamento del prodotto. I fattori di rumore possono

includere variazioni di produzione, modifiche nelle proprietà dei

materiali, più condizioni operative e persino deterioramento o uso

improprio del prodotto. Se attraverso tecniche speciali il team può

controllare i fattori di rumore durante l'esperimento (ma non

durante la produzione o il funzionamento), la varianza può essere

deliberatamente indotta durante l'esperimento per valutarne

l'impatto. Altrimenti, il team lascia semplicemente che il rumore si

verifichi durante l'esperimento, analizza i risultati in presenza di

una variazione tipica e cerca di minimizzare gli effetti di questa

variazione. Nell’esempio precedente, la campana varia in base ai

fattori di rumore.

c. Metriche delle prestazioni: sono specifiche del prodotto di interesse

nell'esperimento. Di solito l'esperimento viene analizzato

considerando una o due specifiche principali del prodotto come

metriche delle prestazioni al fine di trovare i setpoint dei fattori di

controllo per ottimizzare queste prestazioni. Nell’esempio

precedente, l’effetto fA corrisponde alla metrica della prestazione.

2. Formulare una funzione obiettivo: Le metriche delle prestazioni

dell'esperimento devono essere trasformate in una funzione obiettivo.

Possono essere formulate come funzioni da massimizzare o ridurre al

minimo

3. Sviluppare il piano sperimentale: Ora bisogna sviluppare un piano

sperimentale per capire come la funzione obiettivo (quindi le metriche)

varia al variare dei fattori di controllo e dei fattori di rumore. A tal

proposito esistono piani DOE (Design of the Experiment): alcuni sono

più efficienti per caratterizzare determinati tipi di sistemi, mentre altri

forniscono un'analisi più completa. Un aspetto importante è il costo per la

creazione e l'esecuzione delle prove sperimentali. In situazioni in cui

questo costo è basso, può essere fattibile eseguire un gran numero di

prove e utilizzare un piano sperimentale con una risoluzione

sufficientemente alta per esplorare più fattori; se il costo è elevato

utilizziamo alcuni piani DOE efficienti per risparmiare. Esistono 4 tipologie

di piani sperimentali:

a. Full factorial: questo piano prevede l'esplorazione di ogni

combinazione di livelli di ciascun fattore. La sperimentazione

fattoriale completa è tipicamente irrealizzabile per un esperimento

con più di quattro-cinque fattori.

b. Fractional factorial: questo piano utilizza solo una piccola

frazione delle combinazioni usate sopra. L’efficienza aumenta ma

viene sacrificata la capacità di calcolare le grandezze di tutti gli

effetti di interazione.

c. Orthogonal array: questo è il piano più piccolo che consente

ancora al team di identificare gli effetti principali di ciascun fattore.

Tuttavia, questi effetti principali sono confusi con molti effetti di

interazione

d. One factor at a time: questo è un piano sperimentale sbilanciato

perché ogni prova è condotta con tutti i fattori a livello nominale

tranne uno. Quindi, vengono utilizzati diversi metodi per esplorare

gli effetti dei fattori di rumore negli esperimenti. Se alcuni fattori di

rumore possono essere controllati ai fini dell&#