Appunti di Tecnologia dei processi produttivi, prof Veniali

Tecnologia dei processi produttivi

Introduzione

Definiamo sistema produttivo la serie di operazioni che, a partire dalla concezione del prodotto, portano alla sua immissione nel mercato. Il prodotto nasce da un’idea, le cui caratteristiche vengono definite sulla base delle prestazioni desiderate, la funzionalità deve rispondere all’idea che avevo in mente.

Infatti, le fasi di un sistema produttivo sono:

• La concezione del prodotto e lo studio delle prestazioni desiderate,
• Poi si procede alla fase operativa, progettando il prodotto e il processo produttivo, queste due azioni vengono fatte in modo parallelo per evitare di progettare un prodotto irrealizzabile o un prodotto scarso con un super processo,
• Dopodiché si procede alla fase attuativa: viene messo in atto il processo produttivo, vengono scelte le attrezzature e la produzione viene ottimizzata e controllata. Mentre produciamo possiamo andare a modificare la progettazione per migliorare il prodotto, o per ridurre i problemi nel caso che non riusciamo ad ottenere il risultato sperato. Quando il prodotto è un po’ differente dal progetto iniziale, se rientra in piccole differenze che non vanno a modificare l’uso del prodotto, può andare bene lo stesso, dunque si ha un margine di tolleranza (accordato tra produzione e clientela).

Durante queste diverse fasi è spesso necessario compiere feedback, ovvero si revisionano le caratteristiche che erano state predefinite a causa di imprevisti quali l’accorgersi che un’operazione può essere svolta con un processo più semplice, oppure la scoperta di prodotti più semplici che possono compiere le stesse funzioni. È possibile compiere feedback grazie alla capacità dei sistemi dinamici di tenere conto dei risultati del sistema per modificarne le caratteristiche, se necessario. Dopo l’eventuale azione di feedback, esce il prodotto finito come lo si era progettato ma, nella maggioranza dei casi, i tratti del prodotto finito non sono quelli pianificati a causa dell’insufficienza tecnologica o della mancanza improvvisa di finanziamenti. Le scelte delle tecnologie vanno effettuate con criterio: è inutile fare progetti eccezionali se le tecnologie in possesso non permettono di realizzarli ed è anche inutile usare processi eccezionali per prodotti di modesto valore.

Colui che gestisce e coordina il sistema produttivo è l’ingegnere, che studia il progetto e il processo e li modifica con l’intento di migliorarli.

Fasi di un ciclo produttivo

Un ciclo o sistema produttivo si compone quindi di quattro fasi:

• Studio e progettazione: ideazione del prodotto da fabbricare, definizione dei disegni di insieme e di dettaglio, scelte dei materiali e uso dei prototipi;
• Industrializzazione: controllo dei disegni, cicli di fabbricazione e di montaggio, definizione delle modalità di fabbricazione attraverso la scelta di mezzi, attrezzature e utensili;
• Fabbricazione: distribuzione del lavoro ai reparti, controllo della lavorazione e flusso di materiali;
• Controllo di qualità: verifica della corrispondenza con i requisiti funzionali richiesti.

Nella fase di fabbricazione si devono scegliere delle tecnologie sulla base di diversi fattori; primo tra tutti è il disegno del finito, un foglio su cui sono riportate le indicazioni definite tramite le norme UNI. Allegato al disegno del finito c’è un cartiglio su cui sono riportati i risultati dell’analisi dei materiali e dei trattamenti da impiegare. Infine, si svolge un’analisi critica del progetto e delle tecniche di fabbricazione. Nell’eseguire queste fasi vengono presi in considerazione valori definiti dei parametri forma, dimensione, tolleranza e di finitura superficiale.

Sistema produttivo

Un sistema produttivo è quindi un insieme di processi produttivi quali la fonderia, il controllo di prodotto e processo, la deformazione plastica, l’asportazione del truciolo, le lavorazioni non convenzionali, la saldatura e l’incollaggio, l’assemblaggio. Non tutte queste operazioni sono necessarie, infatti ogni processo produttivo dispone di tecnologie differenti e la loro combinazione deve essere la migliore possibile. Poiché un processo produttivo non produce solo oggetti, ma può produrre anche servizi come le competenze (in tal caso esso si chiama processo formativo), il prodotto finito può essere considerato una tecnologia meccanica intesa come successione di cambiamenti di forma, successione di tecnologie e di competenze.

Oltre che dai singoli processi produttivi, un sistema produttivo è costituito anche da:

• Impianti
• Organizzazione della produzione
• Risorse umane
• Management
• Finanza aziendale
• Vincoli economici

Se si considerano anche i beni immateriali (le competenze tecnologiche, impiantistiche, economiche) e materiali (attrezzature, materiali, risorse umane) si parla di sistema integrato di produzione.

Come abbiamo detto precedentemente, nella maggioranza dei casi il prodotto finito sarà diverso da quello definito nel disegno del finito. L’obbiettivo è minimizzare tale discrepanza, al fine di considerarla accettabile e farla rientrare all’interno del margine di tolleranza predefinito. Poiché il “quasi uguale” non è stimabile, si stima il “poco diverso” proprio sulla base della tolleranza. Per limitare la quantità di errori commettibili all’interno di un processo e quindi limitare il range delle soluzioni ottenibili, attuo sistemi di controllo che visionano il processo al variare del tempo e delle condizioni sotto forma di algoritmi. Ridurre la variabilità nelle soluzioni finali di un processo, significa migliorarlo e migliorarlo a sua volta significa ridurre i costi variabili.

La filiera produttiva di un'industria meccanica

La filiera produttiva di un’industria meccanica prende inizio da un prodotto imperfetto chiamato grezzo, esso viene trasformato in semilavorato, per ottenere alla fine un prodotto finito. Essa si compone di progettazione del prodotto e sua realizzazione.

• Progettazione: si studia il disegno del finito, vengono determinate la forma, le tolleranze e il materiale da utilizzare e successivamente viene scelta la tecnologia adatta.
• Realizzazione del prodotto: che è univoca, c’è prima la fase del grezzo (fonderia, deformazione plastica, asportazione di truciolo, lavorazioni speciali, saldatura), poi la fase del finito (non include la saldatura) è il prodotto con le specifiche definite dal disegno alla fine del processo, è impossibile che coincida perfettamente con il progetto (tolleranza), infine il controllo della qualità del finito (dimensionali, strutturali).

Per ottenere una determinata forma finale del prodotto si hanno a disposizione diverse tecnologie:

• Fonderia: si versa il materiale sottoposto a fusione all’interno di uno stampo che ha all’interno la forma desiderata per il prodotto. Lo stampo si può denominare bicchiere. Per utilizzare questa tecnologia è necessaria un’elevata resistenza del materiale di cui è costituito lo stampo. Il liquido versato nel bicchiere cede infatti calore alla forma, dopodiché si raffredda e si solidifica;
• Deformazione plastica: deformazione connessa all’applicazione di forza. L’oggetto può essere schiacciato, allungato o compresso. Modifica della struttura solida attraverso sollecitazioni meccaniche (non c’è scarto);
• Asportazione di materia: il pezzo iniziale è più grande di quello previsto, quindi si asporta il materiale eccedente, quindi vi è uno scarto che deve essere smaltito;
• Aggiunta di materia: si uniscono due o più pezzi per ottenere quello finale.

Scelta della tecnologia

Scegliere fra due tecnologie per la produzione di uno stesso prodotto finito non è una cosa facile e immediata, bisogna trovare l’algoritmo di soluzione: quale tecnologia è meglio usare. La tecnologia va scelta sia in funzione della tolleranza, che della rugosità.

La tolleranza può essere definita come il margine di accettazione della diversità di dimensioni di un oggetto rispetto a quelle dell’oggetto atteso a causa dell’incapacità umana, dei limiti tecnologici ecc. Una tolleranza troppo elevata può portare ad una mancanza di funzionalità, tanto è più grande la tolleranza richiesta, minore sarà il costo. La tolleranza si divide in tipica e possibile. Nelle relazioni tra tolleranza e tecnologia possiamo introdurre un nuovo parametro: Tolleranze e Dimensioni, ogni tecnologia è adatta a fabbricare dei pezzi di determinate dimensioni e può ottenere solo alcune tolleranze.

La rugosità è una caratteristica della superficie dell’oggetto finito, ovvero come essa appare. Sia la tolleranza che la rugosità sono direttamente proporzionali alle dimensioni ed inversamente proporzionali al costo. È per questo ultimo motivo che sono necessarie anche competenze economiche nella gestione di un sistema produttivo. Questi due parametri limitano il range di scelta delle tecnologie da impiegare. Tuttavia, non esistono tecnologie migliori di altre. Ogni problema gode di una soluzione migliore ma non esiste una soluzione standard valida per ogni problema.

Inoltre la tecnologia da adottare non è unica. La scelta della tecnologia avviene in seguito all’analisi delle tolleranze tipiche, se esse non sono univoche, essa viene combinata con l’analisi della rugosità. Riduco in base a queste due variabili l’insieme delle scelte possibili e giungo ad un’unica tecnologia adottabile per quel processo.

Il tetraedro di produzione (sistema di supporto alle decisioni)

Le decisioni vanno prese con un’adeguata combinazione di competenze tecnologiche e gestionali basate su quattro attributi principali: costi, tempi, flessibilità e qualità che vengono posti ai vertici di un solido geometrico chiamato tetraedro di produzione. La soluzione si ottiene intersecando le quattro rette che partono dai quattro vertici del tetraedro. L’importanza di un attributo è data dall’altezza del suo vertice rispetto al piano ad essa perpendicolare che lo divide in due parti passando per la base delle facce laterali. Per dare maggiore importanza ad un attributo, aumento la sua altezza. Se favorisco un attributo allora l’altezza tra vertice e base è maggiore rispetto alle altre tre.

I modelli tecno-economici sono modelli formati dai quattro attributi decisionali associati a processi, macchine, parametri e materiali. Un modello di questo tipo è composto da equazioni tecnologiche ed economiche a più variabili. I costi riguardano le attrezzature, la manodopera, i materiali, i capitali, la manutenzione e le infrastrutture. I tempi sono i tempi di lavorazione, di cambio utensili, attrezzaggio e manutenzione e della capacità di reagire a perturbazioni (volute o non volute). La flessibilità riguarda le macchine, i processi, i prodotti e le relative quantità, gli ordinativi. La qualità si riferisce alla finitura superficiale, le tolleranze, la reperibilità, il ciclo di vita e la soddisfazione del cliente.

Materiali

I materiali di interesse per l’ingegneria sono: petrolio, metalli, plastiche, ceramiche, composti, lapidei, acqua, aria, idrocarburi, legno. Ogni materiale si presenta in diversi stati di aggregazione: solido, liquido e gas; con diverso utilizzo.

La varietà di materiali disponibili deriva dalla vastissima richiesta di materiali con diverse caratteristiche adatte ognuna ad applicazioni specifiche. Infatti un materiale viene scelto a seconda delle caratteristiche che presenta:

• Densità (o massa volumica o peso specifico);
• Resistenza meccanica (alla deformazione causata dall’azione delle forze esercitate dall’ambiente esterno);
• Caratteristiche termo-fisiche (comportamento in caso di riscaldamento o di raffreddamento, reazione alle variazioni termiche);
• Ottiche (trasparenza, riflessione e rifrangenza);
• Elettriche (materiali ad alta o bassa tensione e basso o alto amperaggio) = R = resistenza, q = resistività, l = lunghezza, s = sezione;
• Chimiche (comportamento dovuto ad azioni chimiche come l’erosione);
• Tecnologiche.

Progettazione della realizzazione di un oggetto

Quando si progetta la realizzazione di un oggetto, ovvero quando si effettua il suo studio di ideazione, si scelgono accuratamente i materiali meglio adatti alle funzioni che deve adempiere l’oggetto.

Riportiamo l’esempio di una lampadina: la sua funzione è quella di emettere luce quando non è dì. I materiali che occorrono alla sua realizzazione sono:

• Vetro sottile e trasparente, ma allo stesso tempo dotato di una elevata resistenza meccanica all’azione deformante della pressione esercitata dall’ambiente esterno che è superiore a quella interna al vetro;
• Attacco filettato che sia robusto, leggero e un buon conduttore;
• Filamento che funziona per effetto termoionico, ovvero emette fotoni se riscaldato;
• Filamenti conduttori interni;
• Gas inerte che risiede in piccole quantità attorno al filamento e non contiene ossigeno per evitare l’ossidazione del metallo del filamento conduttore.

Più sono complessi gli oggetti, più sono difficili e complessi i materiali e gli studi di ideazione. Le proprietà dei materiali che sono evidenti a livello macroscopico, dipendono dalla realtà microscopica dei materiali stessi, ovvero dalla struttura e dal tipo di legame che si crea tra gli atomi che li compongono.

Tipi di materiali

Metalli, plastiche e ceramiche sono tre grandi categorie di materiali:

• I materiali metallici presentano legami metallici (la struttura è schematica ed è il legame più forte);
• I materiali plastici presentano legami covalenti o a dipolo;
• I materiali ceramici presentano legami covalenti o ionici.

In base alle dimensioni dell’atomo, alla sua carica, all’energia di legame e alla temperatura gli atomi, che rappresentiamo per ipotesi come sfere rigide, si sistemano nello spazio secondo certe regole, generando 14 possibilità diverse di strutture cristalline che prendono il nome di reticoli di Bravais.

Nei metalli, gli atomi si organizzano secondo tre tipi diversi di strutture cristalline che differenziano i metalli per densità e volume a livello macroscopico:

• Cubica a corpo centrato (CCC) propria di ferro e tungsteno;
• Cubica a facce centrate (CFC) propria di nichel e oro;
• Esagonale compatto (EC) propria di zinco e titanio.

Le strutture cristalline più compatte sono quella cubica a facce centrate e quella esagonale compatta.

Nella struttura cubica a corpo centrato ci sono otto ottavi di atomo situati ognuno ai vertici del cubo (“otto ottavi” perché ciascun atomo ai vertici è in comune con altre otto celle elementari) e un atomo intero al centro (9 atomi totali). Quindi, per ogni cella ci sono 2 atomi (1+1/8 *8). La diagonale della faccia vale 4r (r+2r+r) e il lato del cubo è 2r.

Nella struttura cubica a facce centrate, presenta 14 atomi di cui 8 disposti nei vertici del cubo e 6 al centro di ciascuna faccia del cubo. Considerando gli atomi del reticolo come sfere rigide tutte uguali si osserva che la struttura CFC contiene ai vertici 8 ottavi di sfere e 6 emisferi nei centri delle facce. Quindi, in totale ci sono 4 atomi per cella (1/2*6 +1/8*8). La diagonale della faccia è 4r e il lato del cubo è 2r.

Nella struttura esagonale compatta sono presenti 17 atomi.

Il reticolo cubico semplice presenta 8 atomi disposti ai vertici del cubo. In ogni vertice solo un ottavo delle sfere è interno alla cella. Tra un atomo e l’altro c’è uno spazio interstiziale di cui si può calcolare il volume sottraendo al volume del cubo (8r³) il volume totale occupato dagli atomi interni alla struttura, che sarà 4/3×π×r³×8/8 + 4/3×π×r³ = 8×π×r³ per la CCC, 4/3×π×r³×8/8 + 4/3×π×r³×6/2 = per la CFC e 4/3×π×r³×6 per la EC.

Monocristalli e policristalli

Metalli in cui è presente una sola struttura cristallina sono chiamati monocristalli (un esempio di monocristallo è il silicio con cui si fanno i transistor, dunque materiale di interesse per l’ingegneria), quelli in cui sono presenti due o più strutture differenti per tipologia, dimensione e orientamento sono chiamati policristalli. Essi sono ripetizioni infinite nello spazio di monocristalli differenti, ovvero di pacchetti di atomi sempre uguali che si ripetono in maniera finita nello spazio. Di conseguenza, il comportamento di un policristallo a livello macroscopico si manifesta come una media di tutti i comportamenti dei singoli monocristalli.

Le leghe

La maggior parte dei materiali metallici di interesse per l’ingegneria è formata da un miscuglio di elementi diversi, chiamato lega. La lega è un concetto esistente in natura e ricostruito artificialmente dall’uomo in base alle sue esigenze, in quanto l’unione di materiali con caratteristiche diverse dà luogo ad un materiale con caratteristiche intermedie tra i due. Abbiamo parlato di spazi interstiziali, ovvero degli spazi vuoti che si interpongono tra gli atomi all’interno di una struttura cristallina. Il principio di riempimento degli spazi interstiziali è alla base delle leghe.

Esistono modalità differenti di modifica di una struttura cristallina al momento della formazione di una lega:

• Se l’atomo che si aggiunge agli altri atomi della struttura posizionandosi in uno spazio vuoto all’interno del reticolo, si parla di soluzioni solide interstiziali (come nel caso dell’acciaio prodotto dall’inserimento del carbonio nella CFC del ferro, la cui aggiunta è possibile perché l’atomo che si insedia è di piccole dimensioni e riempie perfettamente lo spazio tra due atomi posti ai vertici oppure del carbonio nella CCC, caso in cui si modifica anche la forma del cubo che diventa un)