Ingegnerizzazione di prodotto - Parte 3/9

METODOLOGIA PER LA SCELTA DEI MATERIALI

La scelta del materiale e del processo non avviene in serie ma in parallelo.

Si parte dai requisiti di progettazione (design requirements) e, tenendo in

considerazione i costi, le performance e altri fattori come l'impatto ambientale,

si scelgono il materiale e il processo. È importante scegliere il materiale

specifico in base al processo produttivo scelto.

La selezione dei materiali è un'attività critica e complessa in quanto devo

considerare nuove tipologie di materiali innovativi, nuovi processi produttivi, le

tecnologiche dei materiali correnti, forte competizione fra i produttori dei

materiali, ecc…

Esistono 2 metodologie per la scelta dei materiali:

1) METODO INTUITIVO

Processi di selezione non sistematici, basati sull’esperienza. Ci sono 4 tipologie

di metodi intuitivi:

First best material: viene scelto il materiale che viene usato più spesso

 Same material as for a similar part: si basa sul fatto che un materiale che

 lavora been per un’applicazione, si comporterà nello stesso modo per

un’applicazione analoga

Problem solving material selection: se il materiale scelto col metodo

 precedente non va bene, scelgo un materiale dello stesso gruppo ma più

performante

Searching material selection: il progettista non conosce un materiale

 adatto. Visiona quindi nuovi materiali spendendo diverso tempo per la

ricerca. Tra i vantaggi troviamo che vengono comunque selezionati dei

materiali che già si conoscono. Mentre tra gli svantaggi troviamo il

trascurare materiali sconosciuti che potrebbero essere migliori e i

conseguenti costi

2) METODI SISTEMATICI

I metodi sistematici si usano per minimizzare i costi dell’intero progetto e per

sviluppare una soluzione progettuale ottimale. Il materiale viene scelto durante

la progettazione o ri-progettazione. La scelta del materiale influenza

direttamente la geometria del componente; si deve evitare di

cambiare il materiale quando la geometria è stata definita (aumento dei

costi). Tale scelta viene eseguita dal progettista, anche in collaborazione con

dipartimenti aziendali specifici per i materiali o fornitori esterni.

I metodi sistematici si basano su formulazione delle specifiche trasferimento



delle specifiche in termini di proprietà (meccaniche, chimiche, tecnologiche…)

trovo la tipologia di materiali che soddisfano queste proprietà trovo i

 

materiali all’interno del gruppo che soddisfano le proprietà seleziono il



materiale migliore.

Il metodo sistematico cerca di superare le criticità del metodo intuitivo; esso è

costituito da 4 step:

1. Trasformazione specifiche in proprietà: la specifica tecnica deve

essere collegata alla proprietà del materiale in modo tale da poter dire:

“se ho una certa massa dovrò trovare un materiale con una certa

densità”. Le linee guida per la trasformazione delle specifiche in proprietà

sono: le specifiche devono essere indipendenti dai materiali che poi

verranno impiegati. La scelta della soluzione deve essere una

conseguenza della specifica e non deve essere influenzata da scelte

precedenti; le specifiche devono essere formulate in termini di proprietà

dei materiali; tutte le specifiche essenziali devono essere considerate; le

specifiche devono essere formulate da un punto di vista quantitativo e

non qualitativo (finché possibile); le specifiche derivanti dal costo devono

essere sempre considerate.

2. Pre-selezione gruppi di materiali: l’obiettivo è quello di selezionare il

gruppo di appartenenza del materiale che verrà usato per realizzare il

componente; questo perché prima di selezionare un materiale specifico

deve essere selezionato il gruppo. Le attività che si possono svolgere in

parallelo con quest’attività sono la selezione del processo produttivo con

cui realizzare il prodotto e l’individuazione della geometria del

componente

3. Selezione materiali all’interno del gruppo: ora bisogna identificare il

materiale specifico all’interno del gruppo, che soddisfi tutte le proprietà

che sono state identificate. Per far questo, le specifiche di prodotto

vengono messe in relazione, attraverso formulazioni matematiche, con le

proprietà che il materiale deve possedere. In particolare, le proprietà del

materiale possono essere relative all’uso (quelle che caratterizzano il

comportamento del materiale quando il componente viene usato. es:

resistenza alla corrosione, all’usura), relative alla produzione (quelle

relative alla lavorabilità del materiale. es: lavorabilità, saldabilità),

relative alla disponibilità (costo, disponibilità nel mercato).

4. Ottimizzazione dei materiali selezionati: al termine della fase

precedente, si possono aver selezionato più di un materiale in grado di

rispettare le proprietà richieste. Questa fase serve per ordinare i materiali

individuati nella pre-selezione e per selezionare il materiale migliore; per

far questo, si deve selezionare una funzione obiettivo che dovrà essere

minimizzata o massimizzata.

METODOLOGIA PER LA SCELTA DEL PROCESSO PRODUTTIVO

Per processo si intende un metodo per formare, unire o finire un materiale. La

scelta dipende da: materiale, dimensione, forma, precisione e quantità da

produrre. Per metodologia per la scelta dei processi, si intende trovare il

miglior processo in grado di soddisfare le specifiche (esempi: materiale a bassa

temperatura di fusione può essere ottenuto per fonderia; forme snelle possono

essere realizzare per laminazione o trafilatura).

Flusso di attività per la scelta del processo:

1. Converto le specifiche tecniche in proprietà del processo

2. Filtro le tecnologie produttive in base a queste proprietà definendo prima

il gruppo e poi il processo specifico

3. Ordino le tecnologie produttive in base ad una funzione obiettivo

(classificazione dei processi)

4. Verifico che la scelta del processo produttivo sia compatibile con le altre

scelte fatte

5. Ricerca delle informazioni di supporto del processo

Screening dei processi

Lo screening dei processi è il cuore di questa metodologia; è la fase relativa

all’identificazione e all’eliminazione dei processi che non permettono di

raggiungere gli obiettivi prefissati. Quest’attività viene eseguita attraverso

l’utilizzo di alcuni strumenti quali matrici e diagrammi di selezione del processo

oppure mediante appositi software.

PROTOTIPAZIONE FISICA E VIRTUALE

Embody significa “dare a qualcosa un'espressione tangibile”. I prototipi e la

prototipazione svolgono un ruolo importante nella progettazione e nello

sviluppo del prodotto in quanto aiutano i progettisti a identificare i problemi e

aiutano la comunicazione tra esperti di diversi reparti funzionali.

Prototipazione fisica

Un prototipo fisico è un modello realizzato con materiali e sostanze reali. I

prototipi possono essere tradizionali (asportazione di materiale); prototipi rapidi

(aggiunta di materiale); prototipi ibridi (sia rimozione che aggiunta di

materiale).

La prototipazione fisica invece è la costruzione e collaudo di un prodotto fisico.

Possono essere classificati per fabbricazione a mano (modo più tradizionale per

creare prototipi); lavorazioni meccaniche; prototipazione assistita da computer.

Prototipazione virtuale

La prototipazione virtuale è un modello geometrico di un manufatto arricchito

con una serie di informazioni sulla sua natura e sul suo comportamento fisico e

meccanico

Un prototipo virtuale, o modello digitale, è una simulazione al computer di un

prodotto fisico che può essere presentato, analizzato e testato. La costruzione

e il collaudo di un prototipo virtuale si chiama prototipazione virtuale.

La prototipazione virtuale è un metodo utilizzato nel processo di sviluppo del

prodotto. Implica l'utilizzo di software CAD (Computer Aided Design) e CAE

(Computer Aided Engineering) per convalidare un progetto prima di impegnarsi

a realizzare un prototipo fisico.

Normalmente dal CAD, che crea il prototipo virtuale si passa al CAE, che

esegue i test sperimentali. Alle volte delle revisioni sono inevitabili e quindi

bisogna tornare dal CAE al CAD; in generale meno revisioni si devono fare

meglio è. La soluzione ottimale sarebbe quella di utilizzare un unico software

che comprenda sia CAD che CAE, in maniera tale da aumentare l'efficienza. Un

esempio di software che integra sia un sistema CAD che un sistema CAE è

Siemens NX

Sebbene il costo del software e dell'hardware associato sia elevato e il tempo di

apprendimento per utilizzarli sia lungo, è ampiamente accettato che la

prototipazione virtuale sia un approccio più economico e veloce per il mercato

rispetto alla prototipazione fisica.

Il prototipo è originato da un sistema CAD. Il sistema CAD non va visto come un

qualcosa che crea un prototipo virtuale indipendentemente da quello che c'è

attorno ma come un qualcosa che mi permette di dare una forma ad un

oggetto, la quale viene arricchita con degli attributi e il risultato di questa

modellazione può essere riutilizzato per simulare il processo produttivo e altri

aspetti.

Sistemi computer aided Design

La progettazione assistita da computer (Computer Aided Design, CAD) consiste

nell'uso di sistemi informatici (o workstation) per aiutare nella creazione,

modifica, analisi o ottimizzazione di un progetto.

un CAD viene utilizzato per generare modelli virtuali geometrici. Il modello

rappresenta una geometria nominale (esatta o approssimata). Il modello

geometrico è rigido in quanto la simulazione della deformazione non è gestita.

La classificazione varia in base al modello (cad 2D o 3D) , alle funzionalità

(schizzo, forma libera…), all’integrabilità…. L’ultima classificazione è in base al

segmento di mercato: prezzo medio, per esigenze di modellazione più comuni

ma non per sviluppare sistemi complessi; prezzo alto, per gestire sistemi e

prodotti complessi che devono essere studiati da più punti di vista.

Sistemi CAD 2D

L’applicazione dei sistemi CAD 2D è la messa in tavola. Lo svantaggio

principale sta nel fatto che non è possibile realizzare simulazioni complesse; in

compenso, però, i vantaggi dei sistemi CAD 2D sono:

Facile gestione delle parti

 Velocità nella rappresentazione del progetto

 Visualizzazione del disegno migliorata su scale diverse



Sistema CAD 3D

I sistemi CAD 3D sono molto più performanti rispetto ai 2D perché è possibile

fare simulazioni e inoltre perché cono