Appunti di studio del prodotto e del processo

Design for manufacturing (DFM)

È chiaro che la progettazione e la produzione di un componente sono attività strettamente correlate tra loro e che non dovrebbero essere mai considerate come attività disgiunte. Difatti ciascun componente (o sottoassieme) deve essere progettato in modo da soddisfare non solo i requisiti funzionali/tecnici richiesti ma anche in modo tale da essere fabbricato con facilità e a basso costo. Tale approccio va sotto il nome di design for manufacturing (DFM), cioè progettazione per la fabbricazione, ed è volto ad aumentare la produttività consentendo all’azienda di rimanere competitiva.

Si rendono necessarie a questo punto alcune semplici considerazioni di carattere economico; solitamente il fine ultimo di un’azienda è quello di avere dei profitti e pertanto il costo di produzione diventa un parametro fondamentale affinché si possano avere dei concreti margini di guadagno tramite la vendita di un dato componente. In parole povere, il successo economico dipende dal margine di profitto sul singolo prodotto e dal numero di unità vendute. È chiaro che il margine di profitto è dato dalla differenza tra il prezzo di vendita e il costo di produzione del prodotto stesso (si fa notare che è quindi necessario avere una stima quanto più accurata possibile sul costo del singolo componente/prodotto). È però necessario tenere sempre a mente che alla fine il numero di articoli venduti è dettato oltre che dal prezzo, anche dalla qualità complessiva del prodotto che si va a proporre.

Linee guida dell'approccio DFM

Si riescono a tracciare quindi le linee guida che stanno dietro a un approccio DFM (che peraltro sembrano abbastanza ovvie):

• Mantenere un’elevata qualità del prodotto
• Ridurre al minimo i costi di produzione

Queste linee guida hanno portato, nel corso degli anni, a una riduzione dei costi di produzione, a procedure di assemblaggio più semplici ed efficienti e a utilizzare e sviluppare nuovi materiali pensati appositamente per determinate esigenze. Alla base di questo approccio, che deve avvenire sin dalle prime fasi di progettazione e proseguire poi in modo iterativo, sta un team di lavoro che collabora in continuazione. Questo ha portato all’abbandono del design over the wall dove il progettista, il tecnologo, il reparto vendite ecc. lavoravano senza comunicare tra loro, aumentando i tempi di rump-up e penalizzando anche in termini economici l’azienda.

Solitamente per il DFM non si parte mai da un foglio bianco perché è necessario avere almeno una stima di quelli che sono i costi di produzione: se l’azienda sta già producendo un dato componente e si vuole migliorarne la producibilità tramite DFM allora è più semplice avere stime accurate; se invece l’azienda si vuole lanciare su un nuovo prodotto è chiaro che le stime non saranno molto precise ma si renderanno comunque necessarie; a tal proposito quello che si fa solitamente è o benchmarking da altre aziende o avere personale che ha esperienza in tale settore.

Il punto di partenza: la distinta base

Il punto di partenza è quindi la bills of materials, cioè la distinta base dei componenti e dei materiali impiegati. A questo punto è possibile evidenziare cinque passi fondamentali:

• Stima dei costi di fabbricazione
• Riduzione dei costi dei componenti (reingegnerizzazione)
• Riduzione dei costi di assemblaggio
• Riduzione dei costi di supporto alla produzione (gestione dell’azienda)
• Valutazione del DFM su altri fattori (funzionalità, design, affidabilità…)

È necessario osservare che la stima dei costi di produzione è di fondamentale importanza: in questo modo è possibile vedere quali sono i componenti più costosi e sui quali vi è quindi maggior margine di miglioramento.

Analisi dei singoli passi

Stima dei costi di produzione

La figura rappresenta uno schema semplificato di un generico sistema produttivo. Gli elementi in ingresso (input) includono materie prime, manodopera, componenti acquistati, attività dei dipendenti (es. servizi), le attrezzature, l’energia... gli elementi in uscita (output) includono invece i prodotti finiti e gli scarti. È quindi chiaro che i costi di fabbricazione di un singolo componente/prodotto devono tenere conto di tutte le spese per gli elementi in ingresso al sistema e per lo smaltimento degli scarti (in alcuni casi gli scarti possono però essere rivenduti).

Come unità di misura del costo di un prodotto, le aziende usano il costo unitario di produzione (unit manufacturing cost) che è calcolato dividendo i costi totali di produzione di un certo periodo (solitamente un trimestre o un anno) per il numero di unità prodotte in tale periodo [€/prodotto].

È necessario osservare che in realtà la questione non è così semplice e alcune domande lecite che ci possiamo porre sono le seguenti:

• Quali sono i confini del sistema produttivo? Vanno incluse anche le attività di assistenza? E le attività di sviluppo del prodotto?
• Come si può imputare al singolo prodotto il costo dell’uso di dispendiose attrezzature di grande utilizzo che durano per anni?
• Come si possono attribuire i costi alle diverse linee di prodotto in grandi impianti produttivi multiprodotto?

Questi sono fattori di cui solitamente si occupa l’area gestionale e che non saranno pertanto approfonditi; in ogni caso nel prosieguo si terrà conto di tali complicazioni.

Secondo tale schema il costo unitario di produzione è costituito da tre sottocategorie di costi:

1. Costo dei componenti: i componenti di un prodotto possono essere parti standardizzate comprate da fornitori, quali motori elettrici, viti, interruttori… o parti customizzate, cioè realizzate ad hoc seguendo le indicazioni del produttore a partire da materie prime grezze come lastre di acciaio, barre di alluminio, ecc. Alcuni componenti personalizzati possono essere realizzati direttamente dal settore produttivo dell’azienda, mentre altri possono essere realizzati all’esterno da fornitori che seguono le specifiche indicate.
2. Costo dell’assemblaggio: beni discreti vengono generalmente ottenuti assemblando più parti. Il processo di assemblaggio ha quasi sempre costi di manodopera, per le attrezzature e per gli utensili.
3. Spese generali: le spese generali (overhead) è la categoria usata per racchiudere tutti gli altri costi. È utile distinguere due tipi di costi generali: costi di supporto e allocazioni indirette. I costi di supporto sono per esempio quelli associati con la manipolazione dei materiali, il controllo qualità, gli acquisti, le spedizioni, la manutenzione. Questi sono i sistemi di supporto necessari per realizzare un prodotto e dipendono in modo sostanziale dal progetto che vi sta alla base. Proprio perché sono condivisi da varie aree aziendali sono raggruppati all’interno dei costi generali. Le allocazioni indirette sono i costi di produzione che non possono essere direttamente imputati a un prodotto specifico, ma sono associati al fatto di esiste come impresa. Ad esempio, lo stipendio della guardia giurata e il costo di pulizia/manutenzione degli edifici sono costi indiretti; queste attività sono necessarie e condivise da molti prodotti diversi e sono difficili da imputare direttamente a uno specifico prodotto. Dal momento che i costi indiretti non sono legati specificatamente al progetto del prodotto, non sono rilevanti per il DFM, anche se contribuiscono al costo totale di produzione.

Costi fissi e costi variabili

All’interno delle categorie precedentemente evidenziate è inoltre possibile distinguere i costi di produzione in costi fissi e costi variabili.

I costi fissi sono quelli costituiti da una cifra predeterminata che non dipende dal numero di unità prodotte. Un esempio è l’acquisto di stampi per iniezione di materie plastiche. Un altro esempio è il costo di adeguamento di una nuova area di lavoro richiesta da una reingegnerizzazione di un prodotto, in quanto non dipende dal numero di unità prodotte. Quando si considera un costo come fisso si dovrebbero specificare i campi di variabilità della quantità produttiva e tempi previsti (es. se sto sotto 10 000 unità prodotte mi basta uno stampo, se le supero me ne servono due e così via: in tal senso i costi degli stampi sarebbero variabili, oppure dopo 10 000 pezzi lo stampo è da buttare e ne devo prendere un altro).

I costi variabili sono invece quelli direttamente proporzionali al numero di unità prodotte. Un esempio lampante è il costo delle materie prime. Per quanto riguarda la manodopera questa viene considerata sia fissa che variabile a seconda del contesto in cui ci troviamo ad operare: le aziende grandi sono in grado di modificare con poco preavviso il numero di persone che si dedicano all’assemblaggio spostando i lavoratori in esubero in altri settori, mentre le aziende più piccole mono produzione considerano solitamente la manodopera un costo fisso.

Distinta base (bills of materials)

Dato che le stime dei costi di produzione sono fondamentali per il DFM è necessario organizzare bene tali informazioni. La figura a pagina seguente rappresenta un esempio di organizzazione dei costi. Consiste sostanzialmente nell’elenco di ogni singolo componente del prodotto completato con l’informazione sui costi. Le colonne del BOM mostrano le stime dei costi, divisi tra fissi e variabili.

Stima dei costi dei componenti standard

Solitamente la stima dei costi dei componenti standard si ottengono o da esperienza aziendale nel caso di parti molto semplici (es. viti) o tramite preventivi di fornitori o venditori. Per avere dei preventivi è utile disporre di una stima della quantità della produzione: per esempio il prezzo unitario di acquisto di una dozzina di viti può essere 10 volte maggiore del prezzo pagato qualora comprassi 100 000 viti. Se le quantità di produzione previste sono abbastanza elevate, è di solito facile avere la collaborazione di un tecnico o un rappresentante per concordare il prezzo. Alcuni fornitori sono inoltre disponibili a progettare e fabbricare una variante personalizzata di un componente standardizzato se la quantità richiesta è sufficientemente elevata; in tale caso il costo unitario di quell’elemento sarà comparabile con il costo di un simile elemento standard. In ogni caso è bene evidenziare che si deve cercare quanto più possibile di impiegare componenti standard e soprattutto di non volerli customizzare in qualche modo: questo fa lievitare anche di molto i costi; ciò non è dovuto al costo del componente in se, che abbiamo detto può essere comparabile per volumi elevati, bensì al costo di magazzino e assistenza.

Stima dei costi dei componenti personalizzati (custom)

I componenti personalizzati, progettati appositamente per un certo prodotto, sono realizzati dall’azienda o da fornitori. Tali parti sono impiegate tipicamente per scopi speciali utili solo in particolari prodotti. Quando il componente personalizzato è un singolo pezzo si stima il suo costo sommando i costi delle materie prime, del processo di lavorazione e degli utensili. Nei casi in cui il componente è un assemblaggio di diverse parti, allora si può considerare come un prodotto a se stante e per determinarne il costo, si valutano i costi di ogni suo componente ai quali si aggiungono i costi di assemblaggio e i costi generali.

Assumiamo che il componente sia un singolo pezzo. I costi delle materie prime possono essere valutati calcolando la massa del pezzo, tenendo conto degli scarti (dal 5% al 50 % per una parte realizzata a iniezione e dal 25% al 100% per un pezzo ricavato da una lamiera in metallo), e moltiplicandola per il costo (per unità di massa) della materia prima. € €⏞ ⏞ [ ] = ( + ∙ % ) ∙ .. I costi dei processi produttivi includono quello degli operatori delle macchine e i costi di utilizzo delle attrezzature. Si va dai 25 $/h (per una semplice pressa da stampaggio) ai 75 $/h (una fresatrice di taglia media) includendo il deprezzamento dell’impianto, la manutenzione, l’alimentazione e il costo della manodopera. Per valutare il tempo di lavorazione solitamente è richiesta esperienza del processo produttivo. In generale si possono calcolare nel seguente modo: €ℎ [ ] = = ℎ ℎQuesti sono costi variabili che dipendono dalle quantità prodotte.

I costi di attrezzaggio (set-up), cioè il lavoro richiesto per la preparazione delle attrezzature necessarie alla produzione, è solitamente molto basso (ciò è tanto più vero quanto è minore il tempo di set-up), vedere a riguardo l’appendice B. I costi degli utensili provengono dalla progettazione e fabbricazione dei taglienti, delle forme per fusione, degli stampi per iniezione o degli accessori necessari a certi macchinari per la realizzazione di parti. Gli stampi possono costare dai 10 000 $ ai 500 000$. Il costo unitario degli utensili è semplicemente il costo degli utensili diviso il numero di unità prodotte durante la sua vita: € = [ ] = . /.

Stima dei costi di assemblaggio

I prodotti costituiti da più di una parte richiedono l’assemblaggio. Per prodotti realizzati in numero inferiore ad alcune centinaia di migliaia di unità all’anno, l’assemblaggio è eseguito manualmente (generalmente). Un’eccezione di questa osservazione è l’assemblaggio di schede circuitali elettroniche, realizzato quasi sempre automaticamente, anche per volumi di produzione relativamente piccoli. Il costo di assemblaggio manuale può essere valutato sommando il tempo di ogni operazione e moltiplicando per il costo del lavoro. Solitamente le operazioni di assemblaggio richiedono dai 4 ai 60 secondi, in funzione delle dimensioni delle parti.

Stima dei costi generali (overhead)

Una stima accurata dei costi generali di un nuovo prodotto è difficoltosa e le prassi industriali non sono molto soddisfacenti. L’applicazione standard degli schemi di valutazione dei costi generali usati nelle aziende è semplice. Non è invece semplice stimare il costo generale effettivamente sostenuto dall’azienda per un certo prodotto. I costi indiretti sono molto difficili da rilevare e assegnare a particolari linee di prodotto, la difficoltà è ancora maggiore se si deve prevedere i costi futuri per un nuovo prodotto.

La maggior parte delle aziende attribuisce dei costi generali in base a tassi di costo generale. I tassi di costo generale sono applicati tipicamente a uno o due attivatori di costo (cost driver). Gli attivatori di costo sono parametri del prodotto direttamente misurabili. I costi generali sono aggiunti ai costi diretti in proporzione agli attivatori di costo. Gli attivatori di costo più comuni possono essere i materiali acquistati, il costo della manodopera per l’assemblaggio e il numero di ore di utilizzo delle attrezzature.

Riduzione dei costi dei componenti

Alcuni componenti possono risultare molto costosi semplicemente perché i progettisti non hanno capito le capacità e i vincoli dei processi produttivi (di cui prima si occupava unicamente il tecnologo). Ad esempio, un progettista può specificare un piccolo raggio di raccordo interno su un pezzo ottenuto per lavorazione meccanica senza pensare che per realizzare praticamente una caratteristica del genere è richiesta una costosa operazione con macchina ad elettroerosione. Capita anche che caratteristiche così strette non siano realmente necessarie per la funzionalità richiesta al prodotto ed emergono per mancanza di conoscenza. Si può quindi riprogettare il pezzo evitando costose fasi produttive.

In alcuni casi i vincoli di un processo produttivo possono essere chiaramente e sinteticamente comunicati ai progettisti sotto forma di regole di progetto (es. che materiali posso tagliare, dimensioni massime e minime…). In questo caso il progettista può limitarsi ad eccedere le capacità produttive delle macchine a disposizione. In ogni caso per processi le cui caratteristiche non siano descrivibili facilmente la strategia migliore è di lavorare a stretto contatto con persone che possono comprendere a fondo il processo produttivo del pezzo.

Reingegnerizzazione dei componenti per eliminare fasi dal processo produttivo

Un controllo accurato del progetto può portare a suggerimenti per una riprogettazione che semplifichi il processo produttivo. Ridurre il numero di fasi nel processo porta anche a costi inferiori, soprattutto nel caso in cui alcune di esse risultino superflue. Quello a cui si deve tendere è l’impiego di processi net-shape o near net-shape. Solitamente si parla di processi di deformazione massiva quali fusione, estrusione, iniezione, forgiatura… i processi secondari quali quelli per asportazione di truciolo vanno tendenzialmente evitati a causa dei loro costi (ovviamente quando non sono necessari).

Scelta della scala economica appropriata per il processo produttivo

Il prezzo di fabbricazione di solito diminuisce all’aumentare del volume di produzione. Questo fenomeno è chiamato economia di scala. Le economie di scala per un manufatto intervengono...