Appunti Optimization and innovation of production processes in italiano (parte 1)

ESEMPIO

Considerando un’e6icienza del 70% (OEE comune a molti impianti) si possono ipotizzare

circa 1400 ore anno da moltiplicare per gli anni di vita del sistema (valore basso per macchine

da AM, Additing Manufacturing, da 3 a 5, e più elevato per macchine tradizionali, almeno 10

per macchine per asportazione di truciolo). Considerando un costo di acquisto di circa

300.000 dollari, un costo orario della manodopera di circa 35$/h, overheads rispettivamente

di 120% e 80% ed una vita operativa di 5 anni, si può stimare un costo di circa 100$/h per una

macchina per asportazione di truciolo. Intorno ai 80$ per macchine da iniezione e circa 60$

per macchine da deformazione plastica (il costo è molto influenzato dalle dimensioni della

macchina). (queste stime sono del mercato americano, per quello italiano queste stime sono

esagerate).

Calcolato il costo orario del processo, va moltiplicato per il tempo delle operazioni.

Quest’ultimo è dato da 3 componenti: il tempo di set up (è il costo fisso, quanto ci vuole per

programmare la macchina, per scegliere e produrre lo sta6aggio, ecc.), il tempo operativo

(tempo per eseguire e6ettivamente l’operazione), e il tempo non operativo (carico e scarico

del pezzo).

Dove Q è la dimensione del lotto da lavorare (numero di pezzi).

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Il tempo non operativo è dato dalla fase di carico/scarico del pezzo e del tempo di ingaggio,

non è semplice da stimare. Per pezzi molto piccoli il carico e scarico può avvenire in

automatico, mentre per componenti di grosse dimensioni può richiedere molto tempo. In

generale, il tempo è legato alla forma, alle dimensioni e al peso del pezzo. Per il tempo di

carico si utilizza una regola empirica che lo lega al peso del componente. Per un componente

di piccole dimensioni il tempo è in genere inferiore al minuto mentre per pezzi di grosse

dimensioni (come BHGE) può richiedere svariate ore.

Dove nh è il numero di carico/scarico (numero di riposizionamenti), W il peso oggetto (Kg), th

il tempo carico/scarico (s).

Il tempo operativo è il più di6icile da stimare, in quanto è dipendente dalla complessità del

componente da realizzare. Un modello molto semplificato è quello di basarsi su valori di MRR

(material removal rate) o RSG (surface generation ratio), quindi si considerano due tempi

diversi, il tempo di sgrossatura e il tempo di finitura. Il primo considera il volume di materiale

da asportare, più adatto ad operazioni di sgrossatura, e dipende principalmente dal materiale

e dall’utensile che viene utilizzato. Il secondo considera la superficie che deve essere

realizzata (anche considerando la finitura richiesta).

MRR e SGR per una generica operazione di fresatura:

Dove Ar=ingaggio radiale (mm), Ap=ingaggio assiale (mm), Fem=feed per minute (mm/min)

MRRe in mm^3/min.

Tempo di operazione:

Tempo di finitura:

Infine, è possibile calcolare il tempo di approccio ta, anche se questo è solitamente

trascurato:

Il tempo di avvicinamento è molto inferiore al tempo di taglio e6ettivo (spesso viene

trascurato).

Costo degli utensili:

Il costo del tooling può essere stimato partendo dalla durato dell’utensile alle specifiche

condizioni di taglio (legge di Taylor), considerando il tempo operativo necessario ad eseguire

l’operazione. In generale questo approccio richiede molti dati sperimentali per cui una prima

approssimazione è quella di considerare il costo del tooling intorno al 10-20%. Questo valore

dipende molto anche dai materiali utilizzati, per cui una analisi su materiale di interesse per

l’azienda (es: inconel 718, PH17-4) possono essere fatte basandosi su altri dati storici.

Piegatura lamiere

La piegatura di lamiere è molto importante, perché si riescono a creare strutture anche molto

complesse, rigide e resistenti. Le macchine che fanno piegatura di lamiera solitamente fanno

anche tranciatura e imbutitura, e il materiale subisce tutte e tre le lavorazioni

contemporaneamente tramite uno stampo progressivo. La macchina può fare le tre

operazioni in sequenza, oppure farle in un’unica operazione.

= + +

In questo processo la voce di costo principale è il materiale, soprattutto per leghe non ferrose,

il costo della lamiera è alto perché non devono esserci inclusioni di altri materiali, altrimenti

essendo un foglio sottile crea delle cricche; quindi, il costo del materiale è un po’ maggiore

rispetto a quello del materiale massivo. Inoltre, nel processo si hanno vari sprechi di

materiale da considerare. In generale può essere assunto uno “spreco” medio di materiale del

10%, lo spreco che abbiamo dipende dall’impacchettamento che possiamo raggiungere con i

componenti, quando le geometrie sono complesse parte della lamiera si spreca sempre. Per

geometrie particolarmente complesse si può arrivare a sprecare anche fino al 50% del

materiale, ad esempio per le rondelle. Oppure il costo del materiale può essere calcolato in

modo più analitico considerando:

Per materiali più costosi, tipo l’alluminio, lo spreco può essere rivenduto, ovviamente a prezzo

minore.

Il costo di una pressa dipende dalla sua forza, corsa e dimensione del piano di pressione.

L’incidenza del costo del lavoro può essere alta per le macchie operate manualmente. Per

determinare la dimensione della pressa corretta è necessario valutare la dimensione del

foglio e la forza max necessaria. La forza massima necessaria (F) è data da:

Nel caso dell’esempio, UTS alluminio=221 Mpa mentre L:

Che implica una forza di circa 1700kN.

Il costo dello stampo dipende principalmente della complessità e dimensione della parte da

realizzare. In questo caso di geometrie molto semplici (es: taglio dritto o foro circolare) questo

non viene calcolato, ma viene considerato come un +10% di extracosto del costo di processo.

In questo caso si utilizzano spesso delle macchine con punzoni generici, utilizzati anche per

altri processi (punzonatrici).

Altrimenti, per geometrie più complesse, la formula che può essere utilizzata è la seguente

per stampi solo di tranciatura:

I driver di costo per un’operazione di tranciatura sono principalmente l’area, il perimetro e lo

spessore della geometria, all’aumentare delle dimensioni aumenta il costo.

Per l’imbutitura il calcolo è simile, si considera l’area proiettata sul piano (area iniziale) e

l’area finale, dal rapporto di queste due si calcolano i costi.

Mentre per stampi di piegatura può essere utilizzata la seguente:

Iniezione di materie plastiche (injection)

Per il confronto è necessario anche il costo di iniezione

Mold base è un nome generico utilizzato per le parti che contengono la cavità dello stampo

per iniezione di plastica e ha anche la funzione di installare direttamente lo stampo sulla

macchina per stampaggio a iniezione plastica.

Il costo della macchina dipende essenzialmente dalla forza di chiusura dello stampo

richiesta.

Questa a sua volta dipende dalla pressione richiesta per l’iniezione del materiale e dell’area di

stampa del prodotto. Il costo della macchina dipende dalla qualità di materiale e forza

massima.

Il tempo ciclo di produzione dipende dal tempo di iniezione, generalmente molto basso, e dal

tempo di ra6reddamento:

Nelle operazioni di injection molding è fondamentale comprendere i costi fissi del processo,

costituiti principalmente dalle due parti del mold e dalla mold base (la struttura di supporto

per i mold). La prima è lavorata alla macchina utensile ed il suo costo dipende principalmente

dal tempo di lavorazione macchina, la seconda è più semplice ed il suo costo dipende dalla

dimensione. Il costo della mold base dipende quindi dalla sua dimensione (area ed altezza

media)

Dove Ac è l’area della cavità in cm2, Hp è la somma dello spessore delle due parti del mold in

cm, Cb in USD.

Il costo del mold è più di6icile da stimare, e dipende dalla complessità delle superfici da

realizzare, che possono essere fatte con processi di finitura alla macchina utensile o con

tecniche EDM.

SLS materie plastiche, sinterizzazione (Selective Laser Sintering)

SLS, Selective Laser Sintering, è una tecnologia di stampa 3D (additive Manufacturing) che

funziona così:

- Un laser viene usato per fondere selettivamente piccole particelle di polvere di

materiale plastico.

- Il laser disegna sullo strato di polvere solo dove serve solidificare.

- Ogni volta che uno strato è completato, viene aggiunto un nuovo strato di polvere

sopra.

- Strato dopo strato, il pezzo si forma senza bisogno di supporti strutturali.

Aziende come Sculpteo stanno nascendo nei territori più industrializzati come centri di

eccellenza per l’utilizzo di tecnologie AM.

SLS è una delle tecnologie più promettenti per quanto riguarda le caratteristiche dei materiali

utilizzati. Il materiale può considerarsi quali isotropo, di6erenze rilevanti si hanno solo per

basse temperature (-60°C).

Il materiale realizzato con AM presenta delle tensioni di rottura superiori al materiale iniettato

ma presenta una duttilità minore, questo è legato probabilmente alla minore porosità del

materiale iniettato, che presenta meno possibili inneschi per cricche.

Test di stampa condotto su 5 campioni. Ogni campione è stato realizzato con finitura bassa

(sand casted) ed ottimizzato per quanto riguarda orientamento e numero di parti per lotto.

Si tratta comunque di componenti abbastanza piccoli, compatibili con le dimensioni

consentite dalle più comuni macchine per SLS (in generale max 400x400 mm).

Diversi materiali sono stati utilizzati per la valutazione comparativa.

Comparazione del lotto ottimale. Da notare che il costo per la produzione di pochi elementi

rimane comunque molto alto. La soglia di convenienza è per lotti sotto le 500 unità. Da notare

che uno stampo per plastica è in generale in grado di produrre oltre 500.000 stampate prima

di un intervento di manutenzione straordinaria.

Il costo del tooling dipende, per componenti di piccole dimensioni, può variare da 2-10keuro.

Lo studio delle dimensioni del campione mostra come le tecniche per AM di materiali

polimerici siano economicamente e6icienti solo quando il componente è molto piccolo.

All’aumentare della dimensione aumenta velocemente il tempo necessario per la produzione

del componente mentre il tempo per l’iniezione è molto poco sensibile alle dimensioni.

La tecnologia SLS diviene sempre più competitiva all’aumentare della complessità della

parte. In generale la complessità influ