Appunti e Riassunti Tecnologia Dei Processi Produttivi (TPP), Gestionale Sapienza

Tecnologia dei processi produttivi

Introduzione al corso

Sistemi produttivi

Prima di stabilire come si costruisce un prodotto è necessario fornire una rapida introduzione relativa alla vita del prodotto stesso. Un oggetto nasce innanzitutto quando viene concepito e quindi con la definizione delle prestazioni desiderate. Una volta stabilito quale prodotto si vuole realizzare e quali caratteristiche debba soddisfare, si procede dettagliando il prodotto stesso: questa fase avviene attraverso la progettazione sia del prodotto che del processo. Queste due fasi devono avvenire nel medesimo momento in quanto si deve tener conto della capacità produttiva a disposizione per non progettare un prodotto irrealizzabile!

Si mette quindi in piedi il processo produttivo, scegliendo quindi le attrezzature necessarie, e si osserva come procede tale processo con strumenti di controllo e ottimizzazione della produzione. A questo punto si ottiene dunque un feedback che potrebbe comportare un ritorno al punto precedente: osservati i risultati si può pensare di riprogettare in modo migliore il processo o il prodotto. Infine, si assembla, controlla ed imballa il prodotto. Si tratta dunque di un processo di miglioramento continuo: Entriamo dunque all'interno dello schema e cerchiamo di capire in che modo avvengano le fasi sopra definite:

Progettazione del prodotto/processo

Si definiscono forma, tolleranze e materiale; si realizza cioè il disegno del finito. In relazione a tale disegno si considera anche il processo produttivo che si potrebbe utilizzare (design for manufacturing). Stabilita la tecnologia da adottare, si cerca di capire quale pezzo produrrà tale tecnologia, ovvero si definisce il grezzo.

Realizzazione del prodotto

A questo punto, dal grezzo si passa alla definitiva realizzazione del finito e ai controlli relativi al pezzo prodotto.

Tecnologie

La scelta relativa al processo da adoperare dipende dalla tecnologia che si vuole utilizzare per produrre prima il grezzo e poi il finito. In generale, si possono identificare quattro classi principali di tecnologie:

• Fonderia
• Deformazione plastica
• Asportazione di materia (manifattura sottrattiva)
• Aggiunta di materia (manifattura additiva)

In base a cosa avviene la scelta della tecnologia? Sono diversi i fattori che possono portarci a scegliere una determinata tecnologia. Innanzitutto, si deve considerare che per un certo materiale è possibile utilizzare solo una certa tecnologia (è impossibile fare fonderia sul legno): si deve quindi tener conto del materiale di lavorazione. Ad ogni tecnologia corrisponde un diverso risultato: si deve tener conto della tolleranza associata alla tecnologia scelta e della tolleranza richiesta in fase di progettazione del finito. Non solo le tolleranze ma anche la rugosità del pezzo possono influire sulla scelta della tecnologia. I costi di diverse tecnologie possono variare e sono fortemente collegati al livello di tolleranza che la tecnologia offre e al livello di rugosità. Si devono quindi rispettare i vincoli relativi alle finiture superficiali del pezzo, ma allo stesso tempo cercare di limitare i costi di produzione.

Si nota dunque come non sia possibile ottimizzare tutti i fattori: un miglioramento delle tolleranze comporta un investimento maggiore, e quindi costi maggiori, e probabilmente anche minor flessibilità. Questo concetto è rappresentato dal tetraedro della produzione. Abbiamo dunque definito delle variabili decisionali che sono i processi, le macchine, i parametri di lavorazione ed i materiali, oltre che degli attributi decisionali, ovvero quei fattori individuati dal tetraedro della produzione.

Materiali

La progettazione del pezzo, come detto, avviene anche in funzione del materiale che si vuole utilizzare: è dunque interessante capire come si comportano tali materiali e come essi possano reagire alle lavorazioni.

Analisi microscopica

Da un punto di vista microscopico, si osserva la disposizione degli atomi di un certo materiale e come tali atomi reagiscono alle sollecitazioni. La struttura microscopica determina le proprietà dei materiali. In base alla diversa struttura, e quindi al tipo di legami tra atomi, si definiscono tre classi di materiali:

• Materiali metallici: ovvero quelli i cui atomi sono legati da legami metallici. Si forma una nuvola di elettroni condivisi tra gli atomi: essi muovendosi portano cariche ed energia. Tali materiali hanno dunque un'alta conducibilità termica ed elettrica.
• Materiali plastici: ovvero quelli i cui atomi sono legati da legami covalenti/dipolo. Il rimescolamento tra gli atomi è minore: ne segue un isolamento termico ed elettrico.
• Materiali ceramici: ovvero quelli i cui atomi sono legati da legami covalenti/ionici. In ogni caso, non è permesso il movimento degli atomi, stiamo parlando dunque di solidi.

Immaginando gli atomi come delle sfere rigide, si può osservare empiricamente come nei solidi gli atomi possono posizionarsi secondo certe regole in modo da formare 14 possibili strutture cristalline, definite come reticoli di Bravais. La struttura cristallina dei metalli può essere di tre tipi:

• Struttura cubica, dove si trova un atomo per ogni vertice, ed uno al centro del cubo (CCC).
• Come prima ma non si ha un atomo al centro del cubo, bensì 6 ognuno al centro di una faccia (CFC).
• Questa volta la forma è quella di un esagono con gli atomi sui vertici + 2 atomi al centro delle facce di base ed altri 3 al centro del solido (ECO).

Ogni cubetto, oppure ogni solido con base esagonale, si definisce come cella elementare.

Reticolo cubico semplice (teorico)

Sia il valore del raggio del cubo, se vedessimo le forme in tre dimensioni, avremmo che: È interessante conoscere il rapporto tra volume occupato dagli atomi ed il volume della cella unitaria, e quindi la densità di atomi, in modo tale da capire se sia possibile inserire altri atomi all’interno della cella.

Esempio CCC con atomi di FE. Per poter calcolare i fattori visti in precedenza è necessario conoscere il raggio dell’atomo che si vuole analizzare: nel caso del ferro vale che: R = 1,4x10^-10 m.

L’idea è quella di calcolare il volume occupato dagli atomi all’interno di una cella e di sottrarlo al volume totale della cella, in modo tale da ricavarsi lo spazio a disposizione.

• V₀ = volume occupato dagli atomi in una cella
• V_c = volume complessivo della cella
• L = lunghezza del lato di una faccia
• D = diagonale di una cella
• D_f = diagonale di una faccia della cella
• M = massa di un singolo atomo
• V_a = volume occupato da un singolo atomo

Come detto nel caso del CCC la diagonale della cella vale 4r. Per ricavarsi il volume della cella è necessario conoscere la dimensione del lato L. Dalla definizione di cubo vale che la diagonale della cella è proprio pari a L√3, da cui si ricava che L = D/√3.

Allora avremo:

• L = 4R/√3 = 4 * 1,4 * 10^-10 / √3 = 3,23 * 10^-10 m
• Una cella del reticolo conterrà 1/8 di atomo per ognuno degli 8 vertici della cella più un atomo all’interno della cella. Si hanno quindi due atomi per ogni cella.
• V₀ = 2 * (4/3) * π * R³ = 2 * (4/3) * π * (1,4 * 10^-10)³
• V_c = L³ = (4R/√3)³
• Il rapporto tra i volumi della cella e il volume occupato dai singoli atomi: V₀/V_c = 0,680

Si può inoltre ricavare la massa volumetrica, ovvero il rapporto tra la massa complessiva degli atomi e il volume della cella unitaria: M_v = 2 * M_a/V_c = 5,487 * 10³ kg/m³

Esempio CFC con atomi di FE: In questo caso il termine noto è la diagonale della faccia: ci serve conoscere il valore del lato L, proprio come in precedenza: si conosce che D_f = 4r, dove è noto che la diagonale della faccia è pari a 4r. In questo caso inoltre si osserva come una cella del reticolo conterrà 1/8 di atomo per ognuno degli 8 vertici della cella più 1/2 atomo per ognuna delle 6 facce della cella. Si hanno quindi 4 atomi per ogni cella.

Esempio elementare: È il caso più semplice, vale che L = 2R e inoltre si ha nel complesso un atomo per cella.

Diagonale nota valore calcolo del lato

• CCC Cella: D = 4R, L = D/√3
• CFC Faccia: D = 4R, L = D/√2
• RS Faccia e Cella: L = 2R

Ripetendo le celle elementari nello spazio si ottiene una visione a livello macroscopico del pezzo: la ripetizione di queste strutture nello spazio dà origine ai cristalli. Quando due cristalli si incrociano tra di loro, allora termina la loro crescita: a partire dai monocristalli che si sviluppano in regioni differenti e crescono in dimensione, si creano così i cristalli composti da più monocristalli. A differenza del numero di monocristalli in un cristallo e di come essi si dispongono in un certo volume, si avrà un diverso comportamento del materiale. Si dice che un materiale ha un comportamento isotropo se i cristalli si dispongono in tutte le direzioni possibili, al contrario, se voglio che i monocristalli si dispongano tutti secondo la medesima direzione, potrei desiderare che il pezzo soddisfi certe caratteristiche se lavorato o sollecitato in quella particolare direzione scelta.

Le leghe e l'analisi secondo la temperatura

Una volta nota la struttura delle celle elementari, come già detto, si osserva come sia possibile inserire negli spazi vuoti di tali celle altri atomi, in altri casi si possono invece sostituire atomi presenti nelle celle con atomi di tipo diverso: alterando la microstruttura si influisce anche sui comportamenti macroscopici di un materiale. Per ogni legame, per ogni reticolo, orientazione, formazione dei cristalli e ovviamente per ogni lega, si hanno quindi diversi comportamenti dei cristalli. Quello che ci interessa fare è modificare la struttura dei legami e quindi il comportamento e le caratteristiche di un certo materiale.

Studio delle leghe metalliche

Per poter fare tali previsioni è necessario conoscere i comportamenti delle leghe. Poiché le tecnologie di maggior utilizzo prevedono l’impiego dei metalli, si studieranno le leghe metalliche. Di queste leghe si studiano due fattori:

• Struttura: Diagrammi di stato
• Comportamento: Chimico-Fisiche, Tecnologiche

Struttura – Diagrammi di stato e trattamenti termici

I diagrammi di stato forniscono informazioni relative alle fasi presenti, alla composizione chimica di tali fasi, alle percentuali di fasi presenti e alle temperature di inizio/fine trasformazione per una certa lega a una certa temperatura. Sulle ascisse è riportata la percentuale di un certo metallo all’interno della lega rispetto a un altro, sulle ordinate la temperatura espressa in Celsius. Le linee identificano passaggi tra diversi stati.

Come si vede dall’immagine si distinguono, nei casi più semplici, due linee su tale grafico: tali linee sono dette di:

• Solidus
• Liquidus

Per temperature minori di quelle della linea di solidus la lega si trova solo allo stato solido, per temperature superiori rispetto a quelle identificate dal liquidus, la lega si trova solo allo stato liquido.

Cosa succede nelle temperature intermedie? In quel caso una certa percentuale del metallo è presente allo stato solido ed un’altra allo stato liquido. Per stabilire la percentuale si utilizza la regola della leva. La composizione si traccia una linea parallela rispetto all’asse delle ascisse e si studia il valore su di esse all’intersezione con le linee di solidus e di liquidus. Si considerano le distanze:

• R = C_L - C₀
• S = C_S - C₀

Dove sono le quantità, espresse in termini percentuali, di un certo elemento all’interno della lega. Vale la seguente formula (quantità di solidus/liquidus):

• W_S = L / (S + R)
• W_L = S / (S + R)

Un diagramma molto rilevante, poiché identifica materiali spesso utilizzati in fase di lavorazione, è quello delle leghe ferrose. Questo diagramma, detto anche diagramma ferro-carbonio, indica il comportamento della lega Fe-C al variare della quantità di Carbonio (fino al 6,67%) in essa presente. È possibile individuare due grandi famiglie relative alle leghe ferrose:

• Fino al <2% la lega forma i cosiddetti acciai alto/basso legati.
• Dal >2% in poi invece abbiamo le ghise.

Gli acciai sono in generali più resistenti, mentre le ghise sono più facili ma fondono a bassa temperatura. Dalla parte degli acciai abbiamo poi una macro-divisione orizzontale:

• <721°: troviamo ferrite e perlite a seconda della presenza percentuale del Carbonio (CCC). Sono materiali con discrete proprietà meccaniche.
• >721°: troviamo invece l’austenite (CFC). Sono materiali molto plastici (pentole).

Questi diagrammi ci permettono dunque di avere informazioni termodinamiche su una certa lega. Le condizioni in cui si osservano e si registrano i cambiamenti di stato riportati nei diagrammi sono però molto particolari: si suppone infatti che il sistema sia, per ogni temperatura e per ogni percentuale, in equilibrio, ovvero che non vi siano bruschi e repentini cambiamenti nella temperatura: ciò significa che in laboratorio si è operato variando la temperatura molto lentamente ed osservando empiricamente gli stati delle leghe. Nella realtà, le variazioni di temperature brusche causano scostamenti dai diagrammi di stato precedentemente osservati e quindi variazioni delle proprietà e dei comportamenti di materiali.

Struttura – Trattamenti termici

“Si definisce come trattamento termico quella successione di operazioni cui è sottoposto un materiale allo stato solido e che consente la modifica più o meno profonda, partendo dagli strati superficiali, della microstruttura del materiale mediante uno o più cicli termici controllati”

Si osserva come il trattamento termico possa riguardare solo alcune parti di un pezzo oppure tutto il pezzo. Può essere:

• Generale
• Parziale o localizzato

Come detto nel capitolo precedente, la variazione delle caratteristiche del materiale dipendono dalla velocità con cui varia la temperatura. A seconda della velocità di raffreddamento si identificano tre diversi trattamenti termici (si deve tener conto del fatto che minore è la velocità di raffreddamento, e maggiori saranno i costi del trattamento):

Proprietà meccaniche

Una volta studiata la struttura delle leghe metalliche, si passa dunque allo studio dei comportamenti, come in tabella. Questo studio, come detto, può avvenire attraverso delle prove empiriche sulle leghe, e quindi sui materiali, che si vogliono conoscere. Si passa dunque da una prova in laboratorio, su dei provini poco costosi, all’analisi del comportamento reale del pezzo finito.

Prove di laboratorio

Durezza

Una delle prove più importanti è quella relativa alla durezza di un certo materiale, dove per durezza si intende la “capacità di un materiale di resistere all’indentazione”. Il valore della durezza ottenuto per una certa prova è convenzionale, secondo diverse scale. Come si vede il procedimento, valido comunque per ogni convenzione, è quello di applicare la forza su un certo provino e di osservare l’impronta da esso lasciata su una certa superficie. Di seguito si riporta una tabella contenente le principali convenzioni di durezza (“briviro”).

Trazione

Si definisce trazione come la “capacità di un materiale di resistere a forze (sollecitazioni) esterne”. Si misura la variazione della forma di un materiale sottoposto ad una forza crescente. Si definiscono tensione e deformazione:

• Tensione: σ = P/A
• Deformazione: ε = ΔI/I₀

Di fianco è rappresentato un esempio di macchina di trazione: come si vede il provino, posto al centro, è sottoposto ad una forza crescente per misurare la resistenza del materiale.